Atomização e Combustão de Glicerina

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1 Atomização e Combustão de Glicerina Pedro Vasconcelos Bettencourt Teixeira Queirós Dissertação para obtenção do Grau Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Doutor João Rogério Caldas Pinto Orientador: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa Vogal: Professor Doutor Edgar Caetano Fernandes Outubro de 2011

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3 Resumo O presente trabalho centrou-se na atomização e combustão de glicerina. Inicialmente, avaliou-se o desempenho de dois atomizadores assistidos ar, em condições isotérmicas, com o auxílio de uma técnica de difracção óptica. Os resultados revelaram uma diminuição do diâmetro médio de Sauter com o aumento da razão mássica ar de atomização/glicerina até um valor próximo de 1, a partir do qual as variações no diâmetro médio se tornam irrelevantes. Verificou-se, ainda, que as gotas de maiores dimensões predominam na periferia do spray e menores na sua zona central. Subsequentemente, foram realizados testes de combustão, numa fornalha laboratorial munida com um queimador com swirl, que incluíram a queima, em co-combustão com gás natural e hidrogénio, de uma selecção de sprays de glicerina caracterizados em condições isotérmicas. Foram medidas as concentrações das espécies químicas na exaustão (CO, HC e NO x ) e avaliada a influência da qualidade da atomização, tipificado pela razão mássica ar de atomização/glicerina, excesso de ar e grau de incorporação de glicerina na mistura combustível no processo de combustão. Adicionalmente, foram recolhidos e analisados depósitos formados no queimador e no interior da fornalha. Os resultados obtidos revelaram: 1) melhoria do processo de combustão com o aumento da qualidade da atomização; 2) diminuição das emissões de CO e HC com o aumento do excesso de ar; 3) redução das emissões de CO e HC com o aumento do grau de incorporação de glicerina na mistura combustível; 4) presença de elevadas concentrações de Cl, Na e K nos depósitos analisados; e 5) ausência de emissões de acroleína para todas as condições estudadas. poluentes Palavras-Chave: Atomização, combustão, glicerina, fornalha laboratorial, emissão de ii

4 Abstract The present study focuses on the atomisation and combustion of glycerin. An initial assessment of the performance of the atomisation was made using a light scattering technique. The results revealed a decrease in the Sauter mean diameter with increasing values of atomizing air to fuel mass ratio up to 1 beyond which no significant improvements were obtained. The results also showed the presence of larger drops in the periphery of the spray and smaller in its central region. Subsequently, a selection of the characterized glycerin sprays has been burn in co-combustion with natural gas and hydrogen using a laboratorial furnace fired by a swirl burner. Exhaust major species concentration (CO, HC and NO X ) were obtained, quantifying the effects of atomisation quality, excess air and incorporation degree of glycerin in fuel mixture on flame stability, combustion efficiency and pollutant emissions. In addition, deposits formed in the burner and in the furnace walls were collected and analyzed. The results showed: 1) improvement in combustion efficiency with increasing atomisation quality; 2) reduction in CO and HC emissions with increasing excess air; 3) reduction in CO and HC emissions with the increasing degree of incorporation of glycerin in the fuel mixture; 4) large concentrations of Cl, Na, K in the analyzed deposit; 5) no acrolein emission for all flames studied. Keywords: Atomization, combustion, glycerol, laboratory furnace, pollutant emissions iii

5 Agradecimentos Ao Professor Mário Costa, agradeço toda a disponibilidade, apoio e orientação prestados durante a realização deste trabalho. Pela ajuda na realização dos ensaios agradeço a María Luis Castela, Catarina Rosa, Miguel Alves, Gongliang Wang e especialmente ao Tiago David Jesus pela grande disponibilidade. Agradeço ainda aos meus colegas de laboratório que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste estudo, criando um bom ambiente de trabalho, nomeadamente a José Pedro Madeira, António Domingues, Miriam Rabaçal, Maura Rocha, Miguel Graça, Anton Veríssimo. Agradeço a Manuel Pratas por todo o apoio técnico prestado durante a montagem experimental e a realização dos ensaios, à Rita Maia pelo auxílio durante a fase inicial do projecto e ao Rui Neto pela ajuda na parte final da experiência Um agradecimento também ao Sr. Norberto e restantes funcionários das oficinas das Áreas Científicas de Energia e Termofluidos e Ambiente e Energia do Departamento de Engenharia Mecânica, pela construção de parte do equipamento utilizado nos ensaios. Ao Doutor Renato Carvalho e à IBEROL agradeço a ajuda e glicerina fornecida. À minha Família, um agradecimento muito especial pela compreensão, apoio, disponibilidade e incentivo que sempre demonstraram. iv

6 Índice de Conteúdos 1 Introdução Enquadramento Estudos Prévios Atomização de Líquidos Viscosos Combustão de Líquidos Viscosos Aplicação ao Caso Particular da Glicerina Objectivos Fundamentação Teórica Introdução Processos Básicos de Atomização Chamas de Combustíveis Líquidos Combustão de Gotas e Sprays Formação de Poluentes Instalações Experimentais Introdução Caracterização dos Sprays Atomizadores Combustão da Glicerina Fornalha e Equipamento Auxiliar Operação da Fornalha Técnicas e Incertezas Experimentais Introdução Caracterização dos Sprays Combustão da Glicerina Espécies Químicas Gasosas Depósitos v

7 5 Atomização da Glicerina Introdução Condições Experimentais Resultados e Discussão Sumário Combustão da Glicerina Introdução Condições Experimentais Resultados e Discussão Estrutura Qualitativa das Presentes Chamas Efeito da Qualidade da Atomização Efeito do Excesso de Ar Efeito da Incorporação de Glicerina Depósitos Acroleína Sumário Fecho Introdução Conclusões Recomendações Para Trabalhos Futuros Referências Anexo A vi

8 Lista de Figuras Figura Previsão mundial da produção de biodiesel entre 2009 e 2019 (OCDE)... 2 Figura 1.2 Diagrama do queimador utilizado por Metzger [24] (sem escala) Figura 2.1 Formação de uma gotícula na extremidade de um tudo cilíndrico Figura 2.2 a) Desintegração de um jacto idealizado por Rayleigh [29]. b) Desintegração de um jacto de acordo com fotografias de alta velocidade Figura 2.3 Regimes de desintegração de jactos Figura 2.4 Perfis de temperatura e espécies para o modelo de combustão da gota Figura 2.5 Reacção de decomposição do Glicerol em Acroleína Figura 3.1 Representação esquemática da instalação de atomização Figura Esquema do atomizador nº Figura 3.3 Esquema do atomizador nº Figura 3.4 Representação esquemática da fornalha e equipamentos auxiliares Figura 3.5 Representação esquemática do topo da fornalha e dos atomizadores utilizados. 39 Figura 3.6 Representação esquemática do sistema de exaustão Figura Esquema de funcionamento do sistema Malvern Figura 4.2 Representação esquemática do sistema de recolha e análise de gases Figura 4.3 Representação esquemática da sonda de amostragem dos gases da exaustão da fornalha Figura 5.1 Efeito da distância axial no SMD para três valores de AFR. Atomizador nº 1 m f = 9,6 kg/h, T f = 87 ºC Figura Efeito da distância axial no SMD para três valores de AFR. Atomizador nº 2 (face larga) m f = 9,6 kg/h, T f = 87 ºC Figura 5.3 Variação radial do SMD para dois valores de AFR e duas distâncias z. Atomizador nº 1, m f = 9,6 kg/h Figura 5.4 Variação radial da distribuição volúmica das gotas para várias posições radiais. Atomizador nº 1, AFR = 1,5, m f = 9,6 kg/h, z = 70 mm Figura Variação radial do SMD para dois valores de AFR e duas distâncias z. Atomizador nº 2 (face larga), m f = 9,6 kg/h vii

9 Figura Variação radial da distribuição volúmica das gotas para várias posições radiais. Atomizador nº 2 (face larga), AFR = 0,5, m f = 9,6 kg/h, z = 70 mm Figura 5.7 Efeito do AFR no SMD para diferentes valores do caudal de combustível. Atomizador nº Figura 5.8 Variação da distribuição volúmica das gotas para vários valores de AFR. Atomizador nº 1, m f = 9,6 kg/h, z = 50 mm Figura Efeito do AFR no SMD para diferentes valores do caudal de combustível. Atomizador nº 2 (face larga) Figura Variação da distribuição volúmica das gotas para vários valores de AFR. Atomizador nº 2 (face larga), m f = 9,6 kg/h, z = 50 mm Figura Variação radial do SMD para as duas faces do atomizador nº 2. AFR = 0,5, m f = 9,6 kg/h e z = 50 mm Figura 6.1 Estrutura típica da estrutura de uma chama de combustível líquido Figura Influência do AFR nas emissões de CO para várias misturas. O 2 = 5 % Figura Influência do AFR nas emissões de HC para várias misturas. O 2 = 5 % Figura Influência do AFR nas emissões de NO X para várias misturas. O 2 = 5 % Figura 6.5 Influência do excesso de ar nas emissões de CO para várias misturas. AFR = 1, Figura Influência do excesso de ar nas emissões de HC para várias misturas. AFR = 1, Figura Influência do excesso de ar nas emissões de NO X para várias misturas. AFR = 1, Figura Análise elementar dos depósitos formados no queimador Figura 6.9 Análise elementar dos depósitos formados na parede da fornalha viii

10 Lista de Tabelas Tabela 1.1 Comparação das emissões em misturas de glicerina com yellow grease Tabela 4.1 Distâncias focais e gamas de medida para as diversas lentes Tabela 4.2 Características dos analisadores utilizados Tabela 4.3 Misturas padrão utilizadas para a calibração dos analisadores Tabela Propriedades físicas da glicerina Tabela Sumário das condições de teste utilizadas na caracterização dos sprays Tabela 6.1 Propriedades químicas do Hidrogénio Tabela 6.2 Propriedades químicas do gás natural Tabela 6.3 Propriedades químicas da glicerina Tabela 6.4 Condições de operação na fornalha para a combustão da glicerina Tabela 6.5 Chamas de base utilizadas ix

11 Lista de Imagens Imagem 3.1 Atomizador nº 1, com pormenor do bico de atomização Imagem Atomizador nº 2, com pormenor do bico de atomização Imagem 6.1 Imagens típicas das chamas obtidas Imagem Formação de depósitos no queimador após utilização com glicerina Imagem Formação de depósitos na parede e janela da fornalha após utilização com glicerina Imagem 6.4 Imagens dos depósitos formados no queimador Imagem 6.5 Imagens dos depósitos formados na parede da fornalha x

12 Nomenclatura Caracteres Romanos A B q, B o,q c p C D D d 0 F g h fg K m Oh Q p r f r s Re t d T f T s U R We y fu Área Número de Transferência Calor específico Coeficiente de resistência aerodinâmica Diâmetro de uma gota Diâmetro interno do tubo Força Aceleração da gravidade Calor latente de vaporização Constante da taxa de queima da gota Constante de evaporação da gota Massa de uma gota Taxa de evaporação de uma gota Taxa de combustão de uma gota Caudal mássico de combustível Número de Ohnesorge Pressão aerodinâmica Pressão interna Pressão da tensão superficial Poder calorífico Raio da chama Raio da gota Número de Reynolds Tempo de vida de uma gota Temperatura da chama Temperatura do combustível Temperatura da superfície da gota Temperatura ambiente Velocidade relativa entre ar e líquido Número de Weber Fracção mássica de combustível xi

13 Caracteres Gregos μ L μ f λ λ p Ρ L Ρ f Ρ A σ L Viscosidade dinâmica do líquido Viscosidade dinâmica do combustível Comprimento de onda das perturbações Condutibilidade térmica Massa volúmica do líquido Massa volúmica do combustível Massa volúmica do ar Tensão superficial do líquido Abreviaturas AFR EDS FAME GN HC MONG OCDE PCI SEM SMD UE ZRE ZRI Air fuel ratio Espectrómetro de dispersão de energia de raio-x Fatty acid methyl esters Gás natural Hidrocarbonetos não queimados Matière organique non-glycerol Organização para a cooperação e desenvolvimento económico Poder calorífico inferior Microscópio electrónico de varrimento Diametro médio de Sauter União Europeia Zona de recirculação externa Zona de recirculação interna xii

14 1 Introdução 1.1 Enquadramento Com a alteração do paradigma de desenvolvimento mundial e a crescente sensibilização das sociedades modernas em relação aos problemas relacionados com a sustentabilidade ambiental, torna-se evidente a necessidade de transformar o modelo energético actual, baseado no uso de combustíveis fosseis, num modelo, mais equilibrado, assente num mix de fontes de energia com uma elevada participação da parcela renovável. Neste particular, é necessário dar especial atenção ao sector dos transportes que é responsável por mais de 30% do consumo de energia final no espaço europeu. Estima-se que, somente em 2010, as emissões de CO 2 provenientes deste sector tenham ultrapassado milhões de toneladas, das quais 84% são imputáveis aos transportes rodoviários [1]. Neste contexto, em Março de 2007, o conjunto dos países da União Europeia (UE) aprovou uma abordagem integrada da política climática e energética com vista a combater as alterações climáticas, aumentar a segurança energética e reforçar a competitividade. No âmbito desta iniciativa os chefes de Estado e de Governo dos vários países da UE definiram uma série de objectivos de natureza climática e energética a serem cumpridos até 2020: Uma redução mínima de 20% nas emissões de gases com efeito de estufa relativamente aos níveis de Consumo global energético na UE com uma parcela mínima de 20% de origem renovável. Para o sector dos transportes, um mínimo de 10% de toda a energia consumida, de origem renovável. Com vista ao cumprimento destas metas, os vários governos têm lançado, desde então várias medidas de incentivo. Estas incluem isenções fiscais, ajuda financeira à indústria transformadora e imposição, às companhias petrolíferas, de uma quota obrigatória de biocombustíveis nos seus produtos. Estas directrizes, conjugadas com o desenvolvimento de novas tecnologias de produção têm originado, nos últimos anos, um aumento significativo da produção e incorporação de biocombustíveis no mercado dos transportes. Entre estes, destaca-se o biodiesel que, em estado puro ou em mistura, pode, em princípio, ser usado nos veículos automóveis existentes com recurso à infra-estrutura de distribuição de combustível actualmente instalada. 1

15 Figura Previsão mundial da produção de biodiesel entre 2009 e 2019 (OCDE) Na Figura 1.1 está representada uma estimativa da produção mundial de biodiesel para os próximos 10 anos. Como se pode observar, prevê-se para 2011 uma produção mundial em torno de 22 x 10 9 l, valor que ultrapassará os 40 x 10 9 l a partir de A Figura 1.1 mostra também que a produção mundial de biodiesel é efectuada, maioritariamente, através do aproveitamento de óleos de origem vegetal e gorduras de origem animal. Para isso, estes resíduos são sujeitos a um processo de transesterificação que permite transformar os diferentes tipos de óleos num composto denominado FAME (fatty acid methyl esters). Neste processo, a reacção ocorre na presença de um álcool (geralmente metanol) e de um catalisador, (hidróxido de sódio ou potássio), dando origem ao FAME (biodiesel) e a uma quantidade significativa de glicerina (propano-1,2,3-triol) como subproduto. Numa base molar, uma mole de glicerina é produzida por cada três moles de FAME, sendo que, em termos volúmicos, cerca de 10% dos reagentes (óleos) são transformados em glicerina. Estes valores variam consoante o tipo de óleo aproveitado, podendo o subproduto de glicerina conter ainda vestígios significativos de álcool, água, catalisadores e uma mistura de materiais orgânicos (óleos que não participaram na reacção) denominada MONG (matière organique non-glycerol). No mercado actual, a glicerina produzida tem diversos tipos de aplicação, sendo os principais clientes as indústrias alimentar, cosmética e do tabaco. Apesar dos preços deste tipo de matéria estarem sempre sujeitos às flutuações de mercado, no início da década passada, a glicerina refinada era comercializada com valores na ordem de /ton. No entanto, com aumento na produção de biodiesel, e consequente incremento na disponibilidade mundial de glicerina, tem-se verificado uma diminuição significativa no seu valor de mercado. 2

16 Actualmente, a glicerina refinada tem um valor comercial próximo de /ton, enquanto a glicerina não refinada, resultante da produção de biodiesel, atinge preços entre os /ton [2]. Este valor é de tal forma baixo que grande parte dos produtores de biodiesel opta por armazenar a glicerina produzida, esperando que surjam melhores oportunidades para a valorizar. Esta realidade cria obviamente um acréscimo de custos de conservação e armazenagem que são, em todos os sentidos, indesejáveis para o sector. Neste enquadramento, torna-se fundamental encontrar novas soluções tecnológicas que permitam valorizar o excesso de produção de glicerina. Esta realidade apresenta-se como uma oportunidade para a indústria optimizar e transformar os processos de produção de modo a reduzir os desperdícios e aumentar a eficiência. Com o propósito de resolver o problema de excesso de glicerina, várias soluções que têm sido investigadas: combustão; conversão em biogás; transformação termoquímica, modificações biológicas, etc... A hipótese de valorizar o potencial energético da glicerina através de um processo de combustão, embora atractiva, tem sido encarada por muitos como um desafio Combustion of glycerol would be an elegant solution, if it worked (journeytoforever.org). A glicerina caracteriza-se por um baixo poder calorífico (~16 MJ/kg), uma elevada temperatura de ignição, 370 ºC (comparada com 210 ºC para querosene e 270 ºC para gasolina) e uma elevada viscosidade (1030 cp a 22 ºC). Estas características conjugadas dificultam seriamente os processos de atomização e combustão. Outro factor impeditivo à combustão da glicerina é a emissão de poluentes, particularmente a acroleína. Este instável e tóxico composto carbonilo é um subproduto da decomposição térmica da glicerina e forma-se quando esta é aquecida a temperaturas superiores a 280 ºC [3]. A sua toxicidade verifica-se para baixas concentrações, aproximadamente 2 ppm, com alguns estudos a referirem efeitos nocivos a partir de 0,09 ppm [3]. Por todas estas evidências, torna-se clara a necessidade de estudar e compreender melhor o processo de atomização e combustão da glicerina, nomeadamente as suas condicionantes e potencialidades para a aplicação na indústria actual. 1.2 Estudos Prévios Com vista a enquadrar esta investigação na realidade científica actual apresentam-se, de seguida, os estudos relevantes para o presente trabalho. Em particular, a revisão bibliográfica centra-se em estudos que, nas diferentes áreas do conhecimento, permitem compreender melhor a influência dos parâmetros de funcionamento e das características do combustível no desempenho energético e ambiental de sistemas de combustão alimentados a glicerina. 3

17 A revisão encontra-se organizada da seguinte forma: a secção discute as características dos processos de atomização, em particular processos que envolvam líquidos viscosos. A secção aborda a combustão de sprays e consequente formação de poluentes. Por último, a revisão é complementada por uma análise crítica relativa aos estudos existentes sobre a queima de glicerina, na secção Atomização de Líquidos Viscosos A atomização é, na sua essência, um processo no qual se transforma um volume contínuo de líquido numa multiplicidade de gotas de pequenas dimensões. Este processo tem como principal objectivo a produção de uma elevada razão superfície/volume da fase líquida, que permita a obtenção de elevadas taxas de evaporação, particularmente importantes nos processos de combustão. Estão disponíveis, actualmente, diversas tecnologias de atomização, sendo que, para o caso particular de líquidos viscosos se recomenda a utilização de atomizadores assistidos a ar. Nestes, o líquido é injectado a uma pressão relativamente baixa e exposto ao escoamento de um gás, normalmente ar a alta velocidade. Este tipo de atomização é particularmente útil para processos de combustão, uma vez que a pré-mistura do ar e do combustível, verificada na fase inicial da atomização evita que se formem zonas ricas de elevado rácio combustível/ar, responsáveis por grande parte das emissões de poluentes. Este fenómeno faz com que as chamas resultantes da atomização assistida a ar se caracterizem por baixas emissões de poluentes quando comparadas com chamas oriundas outros tipos de atomizadores. Estudos anteriores [6] sobre a aplicação de atomizadores assistidos a ar em processos de queima, indicam que o diâmetro médio das gotas geradas e a sua distribuição volúmica (ver secção 4.2) são factores sobremaneira importantes na eficiência global dos processos de combustão. Ao deixar o atomizador, o jacto de líquido fica sujeito a um conjunto de forças contrárias e destrutivas. Estas dão origem a oscilações e perturbações que, em último caso, acabam por provocar a sua desintegração. Neste sistema, a viscosidade do fluido, exerce uma força estabilizadora que se opõe à acção das forças aerodinâmicas exteriores. A quebra acontece quando a magnitude das perturbações exteriores supera as forças agregadoras da viscosidade e tensão superficial [4]. Este processo é conhecido por atomização primária. Se as gotículas formadas excederem um determinado diâmetro crítico voltam a ser desintegradas em gotículas de menores dimensões, fenómeno denominado por atomização secundária. Wang et al. [5], num estudo detalhado sobre os aspectos aerodinâmicos ligados aos processos de atomização, analisaram a influência das condições de operação no formato e características dos sprays. Verificaram que, para atomizadores assistidos a ar, as gotas de maiores dimensões se distribuem pela orla exterior do spray, enquanto no centro do spray predominam as gotas de menores dimensões. Este fenómeno revelou-se fundamental para a 4

18 compreensão dos mecanismos de combustão e consequente formação de poluentes [6] e [7]. Observações semelhantes foram reportadas por outros autores para diferentes fluidos e condições de operação [8] e [9]. Posteriormente, Mao et al. [8], num estudo sobre a influência do número de swirl na atomização, analisaram as variações de diâmetro e distribuição das gotas, ao longo das direcções radial e axial. Verificaram que, ao longo da direcção axial, o diâmetro médio das gotas vai diminuindo gradualmente até atingir um mínimo a uma certa distância do atomizador (distância onde termina a atomização). Esta diminuição deve-se aos fenómenos de colisão e dispersão espacial que provocam um decréscimo no diâmetro médio das gotas [6]. Depois dessa distância, o diâmetro médio volta a aumentar. Este comportamento, verificado em outros estudos [7], [9] e [10], foi explicado por Mao et al. [6], pelo facto de as gostas de maiores dimensões possuírem uma quantidade de movimento inicial superior que lhes permite alcançar zonas mais distantes do spray. Ao mesmo tempo, as gotas de menores dimensões sofrem fenómenos de coalescência e evaporação que provocam o seu desaparecimento. A conjugação destes dois fenómenos explica a variação do diâmetro médio ao longo do eixo do spray [6] e [9]. Para além dos fenómenos de evaporação e coalescência das gotas mais pequenas, outros estudos afirmaram a importância dos efeitos de aceleração e desaceleração das gotas neste comportamento do diâmetro médio ao longo da direcção axial [8]. No seguimento destas análises, Melo [9] estudou a influência da utilização de ar secundário com swirl na estrutura dos sprays. Verificou que, para parâmetros de atomização semelhantes, os sprays com ar secundário apresentam distribuições radiais do diâmetro das gotas mais uniformes, embora o processo de atomização se complete para distâncias superiores em relação ao atomizador. Este estudo permitiu também constatar que a presença de ar secundário aumenta o ângulo do cone do spray. A uniformização do diâmetro médio e a alteração do ângulo do cone foram justificadas pela variação do campo de velocidades provocada pelo escoamento do ar secundário [9]. Esta mudança no campo de velocidades origina um aumento da energia cinética global, o que torna o spray mais uniforme, mas fá-lo à custa de uma diminuição da energia cinética na zona central, fazendo com que a distância ao fim da qual o processo de atomização termina, aumente. Concluiu-se, então, que os sprays com swirl não necessitam de pressões de atomização tão elevadas [8]. Em paralelo com os estudos realizados sobre a caracterização aerodinâmica dos sprays formados nos processos de atomização, surgiu a necessidade de compreender a forma como as condições de operação e as características dos fluidos influenciam as características da atomização. No primeiro grande estudo sobre atomização Nukiyama e Tanasawa [11] analisaram o escoamento criado por um atomizador assistido a ar sem swirl e identificaram as variáveis que 5

19 mais condicionam a qualidade da atomização: viscosidade, tensão superficial, densidade, velocidade do ar e razão combustível/ar. Este estudo obteve resultados interessantes mas ficou incompleto pelo facto de se terem considerando propriedades do ar de atomização constantes e se ter ignorado a influência das dimensões do atomizador. Mais tarde, Lewis et al. [12], como referido em Lefebvre [13], complementaram esta análise com o estudo da influência das propriedades do ar e das dimensões do atomizador na qualidade dos sprays. Outros autores, [9], [14] e [15], prosseguirem estas investigações com resultados semelhantes, estabelecendo um conjunto básico de propriedades a controlar durante o processo de atomização. As principais conclusões relativas a cada uma destas propriedades são apresentadas e discutidas em seguida. Propriedades do líquido A viscosidade do líquido é, provavelmente, a característica mais influente e negativa na qualidade da atomização. Um aumento na viscosidade reduz o número de Reynolds do escoamento, dificultando o desenvolvimento natural de instabilidades, cruciais à desintegração do jacto. Lorenzetto e Lefebvre [15], num estudo sobre a interferência das propriedades do líquido na atomização, mostraram que, qualquer aumento da viscosidade provoca sempre um aumento do diâmetro médio das gotas. Este facto foi atribuído ao aumento das forças viscosas, que tendem a opor-se à desintegração da coluna de líquido em gotas, tanto no processo de atomização primário como secundário [15]. O aumento do diâmetro médio das gotas é obviamente prejudicial à qualidade da atomização e, no caso particular da combustão, tem um efeito nefasto ao reduzir a razão superfície/volume e, consequentemente, as taxas de evaporação, factores fundamentais ao sucesso dos processos de queima [6]. O aumento do diâmetro médio das gotículas com a viscosidade é, no entanto, atenuado para velocidades do ar mais elevadas devido ao aumento da disponibilidade energética para a atomização [4], [13] e [15]. Rosa et al. [7], num estudo sobre as características da atomização de líquidos, compararam detalhadamente as diferenças entre líquidos de baixa e elevada viscosidade. Observaram que, para os mesmos parâmetros de funcionamento, o líquido mais viscoso produzia sistematicamente sprays com gotas de maiores dimensões. No entanto, a grande diferença verificada entre os dois jactos era o grande número de gotas de elevada dimensão no centro do spray formado pelo líquido de maior viscosidade [7]. Estes dois factos, aumento do diâmetro médio das gotas e alteração na sua distribuição radial revelar-se-iam, mais tarde, fundamentais para o processo de combustão [7]. A tensão superficial do líquido é também uma propriedade importante nos processos de atomização. Esta representa a força resistente à formação de novas superfícies e, durante o processo de atomização, contraria qualquer distorção da superfície do líquido [4]. Tal como a viscosidade, exerce um efeito qualitativamente negativo na qualidade da atomização. 6

20 Lorenzetto e Lefebvre [15] confirmaram estes resultados observando também que este efeito negativo da tensão superficial é atenuado para velocidades do ar mais elevadas. Este tipo de variação assemelha-se à verificada para a viscosidade e por isso estas duas propriedades tendem a ser estudadas em paralelo. A massa volúmica do líquido é, possivelmente, a propriedade física com análise mais complexa, uma vez que a sua influência na atomização depende do tipo de atomizador e do regime de utilização. Num dos primeiros estudos sobre esta propriedade Rizkalla e Lefebvre [16] verificaram que, para um atomizador do tipo thin-sheet, o diâmetro médio das gotas aumenta com a massa volúmica até um valor em torno de 1500 kg/m 3, acima do qual, qualquer aumento da massa volúmica provoca a uma diminuição do Sauter mean diameter (SMD). Mais tarde, Lorenzetto e Lefebvre [15], usando um atomizador assistido a ar do tipo jacto plano, contrariaram estes resultados. Verificaram que a qualidade da atomização era sempre melhorada através do aumento da densidade do líquido. Este tipo de discrepâncias acabou por evidenciar a necessidade de considerar isoladamente o efeito da massa volúmica do líquido para casa tipo de atomizador [4]. Importa referir que o efeito da massa volúmica é atenuado pelo facto de a maioria do líquidos apresentar apenas ligeiras variações no valor desta propriedade. Propriedades do ar Embora as propriedades do líquido sejam de facto mais influentes nas características e comportamento dos jactos, desde cedo se identificou a possibilidade de controlar a qualidade dos sprays através do controlo do ar de atomização. Rizkalla e Lefebvre [17] num estudo sobre atomização assistida a ar identificaram os efeitos da pressão e temperatura do ar de atomização no diâmetro médio das gotas. Verificaram que, para líquidos de viscosidade variável, o diâmetro médio das gotículas aumenta linearmente com a temperatura do ar, ou seja, com a diminuição da massa volúmica. Este facto realça a necessidade de manter o ar de atomização a uma temperatura relativamente baixa de modo a beneficiar a qualidade do processo [17]. A eficiência da atomização é também influenciada pelas características do meio envolvente. No caso particular de a atomização se realizar em regime de combustão torna-se essencial compreender os possíveis efeitos da pressão, temperatura e massa volúmica do ar circundante nas propriedades dos sprays. Com este propósito, Rizkalla e Lefebvre [17] verificaram que, num atomizador de mistura externa assistido a ar, o diâmetro médio das gotas diminui com o aumento da pressão ambiente. Esta diminuição é significativa, e está relacionada com o aumento da resistência do ar que promove a quebra da coluna de líquido [17] e [18]. Outros estudos efectuados sobre a atomização verificaram a influência das condições do meio nas características dos sprays. Verificou-se que o ângulo do cone formado 7

21 nos atomizadores assistidos a ar é relativamente insensível às mudanças de pressão e massa volúmica do ar ambiente [4]. Em geral, uma redução na massa volúmica do ar ambiente provoca apenas uma alteração no rasto do spray, tornando-o mais próximo das linhas de corrente formadas pelo escoamento do ar [4]. Caudais de ar e combustível A relação mássica ar/líquido (AFR) é, sem dúvida, o parâmetro mais importante em processos de atomização. O AFR expressa a razão de massas entre os caudais de ar e líquido e o seu aumento tende a beneficiar a qualidade da atomização. Lorenzetto e Lefebvre [15], com um atomizador do tipo jacto plano, analisaram e identificaram o comportamento característico dos sprays com o aumento do AFR. Observaram que, para valores de AFR pequenos, a qualidade da atomização é severamente afectada, com o tamanho médio das gotas a subir consideravelmente. No entanto, à medida que o AFR aumenta, a qualidade da atomização melhora progressivamente até se atingir um patamar onde o diâmetro médio das gotas começa a estabilizar em torno de um valor constante. A partir desse valor, qualquer aumento de AFR provoca apenas melhorias marginais no diâmetro das gotas [15]. Este tipo de comportamento foi verificado em outros estudos, por exemplo [9] e [17], e permite estabelecer, para cada atomizador, um intervalo óptimo de valores de AFR que maximiza os efeitos da mistura entre o ar e o líquido. Conclui-se que, para valores de AFR pequenos, a quantidade de ar não é suficiente para quebrar as forças agregadoras da viscosidade e tensão superficial, enquanto para valores de AFR elevados, parte do ar injectado fica demasiado afastada do líquido para desempenhar um papel activo na atomização [15]. Assim, para cada atomizador deve encontrar-se o AFR para o qual o diâmetro médio das gotas estabiliza e tentar operar nesse regime. Melo [9] efectuou um estudo sobre os factores que influenciam a qualidade da atomização no qual verificou um estreitamento do ângulo do spray dos sprays com o aumento do AFR. Observou que esse estreitamento era progressivo até se atingir um determinado valor, a partir do qual qualquer aumento da quantidade do ar originava apenas variações não significativas no ângulo do cone. Para além das observações já referenciadas, o aumento de AFR provoca também uma homogeneização dos sprays, ou seja, os sprays com valores AFR mais elevados apresentam variações de diâmetro entre as gotas de maior e menor dimensão mais pequenas [14]. Entre todos os factores que influenciam a qualidade da atomização, a velocidade do ar é, certamente, um dos mais relevantes. Desde cedo se verificou a dificuldade de avaliar a influência isolada deste parâmetro pelo facto de qualquer alteração na velocidade do ar alterar o valor de AFR. Para contornar esta limitação, Lorenzetto e Lefebvre [15] conduziram uma série de testes com água e querosene nos quais variavam a velocidade do ar através da 8

22 utilização de orifícios de diferente dimensão, mantendo o valor de AFR constante. Verificaram uma diminuição considerável do diâmetro médio das gotas com o aumento da velocidade do ar, em particular, para líquidos de baixa viscosidade. Para estes líquidos, o diâmetro médio das gotas é, aproximadamente, inversamente proporcional à velocidade relativa do ar, ou seja, a velocidade entre o líquido e o ar [15]. Por último, falta analisar o efeito da variação isolada do caudal de líquido na qualidade da atomização. Esta análise, tal como o caso da velocidade do ar, é dificultada pelo facto de uma alteração do caudal de líquido, modificar o valor de AFR. Para solucionar este problema, Lorenzetto e Lefebvre [15] usaram diferentes combinações de injectores de ar e líquido de modo a manterem constantes os valores de AFR e velocidade relativa do ar, enquanto variavam o caudal de líquido. Este tipo de experiência permitiu observar que um aumento do caudal de líquido tende a prejudicar a qualidade da atomização, aumentando o diâmetro médio das gotículas [15]. Características e dimensões do atomizador No conjunto das tecnologias de atomização assistida a ar disponíveis hoje no mercado, existem diversas soluções possíveis de adoptar. Para o tipo de utilização em causa no presente travalho, atomização de líquidos viscosos, recomenda-se o uso de atomizadores de mistura externa. Como o nome indica, nos atomizadores de mistura externa, o ar de atomização encontra o líquido já no exterior do atomizador. Este tipo de tecnologia tem como grande vantagem a possibilidade de controlar de forma independente, os caudais de ar e líquido usados na atomização, evitando fenómenos de bloqueio do líquido característicos dos atomizadores de mistura interna [4]. No entanto, os atomizadores de mistura externa, em comparação com os de mistura interna, necessitam de caudais de ar de atomização mais elevados para obter os mesmos níveis de atomização. Para além das características do atomizador, as suas dimensões são também um factor importante na qualidade da atomização. Como já foi referido, Nukiyama e Tanasawa [11], no primeiro grande estudo sobre atomização, consideraram que a eficácia da atomização não era influenciada pela dimensão dos orifícios. Mais tarde, Radcliffe e Clare [19], como referido em Lefebvre [13], contestaram esta assumpção estudando os efeitos das dimensões dos orifícios, em particular o de saída do líquido, na qualidade da atomização. Verificaram que, para o caso de líquidos de baixa viscosidade, o aumento do diâmetro do orifício de descarga do líquido para o dobro tinha apenas uma diferença marginal no desempenho do atomizador. Posteriormente, Lorenzetto e Lefebvre [15] confirmaram estas observações para líquidos de baixa viscosidade, mas verificaram que no caso da atomização de líquidos de elevada viscosidade, os efeitos da dimensão do atomizador tinham de ser considerados. Para a atomização de líquidos de elevada viscosidade, verifica-se que qualquer aumento na dimensão 9

23 do orifício de saída do líquido prejudica a qualidade da atomização, sendo o diâmetro médio das gotas proporcional a D 0,5 [15]. Efeitos da presença de chama Embora os processos de atomização sejam maioritariamente de cariz isotérmico e no caso particular desta investigação, o estudo dos sprays de glicerina se efectuar na ausência de chama, é interessante compreender os possíveis efeitos da presença de combustão nas características dos sprays. Mao et al. [6], num estudo sobre chamas criadas por atomizadores assistidos a ar, analisaram as diferenças entre sprays em condições isotérmicas e na presença de chama. Verificaram que, na presença de chama, a distância de quebra do jacto diminui ao mesmo tempo que a distribuição das gotas é alterada substancialmente. O valor mínimo do diâmetro médio que, no caso isotérmico, se situa no eixo do jacto, é alterado para a zona de maior temperatura, situada a uma distância aproximada de 1-2 cm do eixo central [6]. As gotas de maiores dimensões, localizadas na orla exterior do spray, apresentam diâmetros semelhantes entre os casos com e sem chama, indicando que as gotas de maiores dimensões não são significativamente afectadas pela presença da chama [6]. Rosa et al. [7] verificaram também que, na presença de combustão, o volume de líquido representado pelas gotas de menores dimensões decresce mais rapidamente com a distância axial. Este facto foi explicado pela maior taxa de evaporação das gotas de menores dimensões que provoca a sua rápida extinção [7] Combustão de Líquidos Viscosos A evaporação de gotas num spray envolve simultaneamente fenómenos de transferência de calor e massa, nos quais, o calor necessário à evaporação é transferido do gás circundante para a gota por meio de condução e convecção. Deste modo, a taxa de evaporação depende da temperatura e pressão ambiente; temperatura, volatilidade, diâmetro médio e distribuição volúmica das gotas; e da velocidade relativa entre as gotas e o gás circundante. Estas dependências realçam a necessidade de obter boas condições de atomização, para se efectuar uma queima apropriada. Na maioria dos queimadores utilizados em processos de combustão industrial o combustível é atomizado primeiro em ligamentos que rapidamente se desintegram em gotas de dimensão variável. Como já foi referido, este processo origina elevadas áreas superficiais e, consequentemente, permite aumentos significativos nas taxas de transferência de calor entre as gotas e o meio envolvente. À medida que a transferência de calor ocorre, as gotas de combustível aquecem e, através de fenómenos de vaporização e difusão, começam a perder 10

24 parte da sua massa para a sua vizinhança. Rosa et al. [7] verificaram uma dualidade no comportamento das chamas dependendo da viscosidade do combustível. Os sprays formados por combustíveis de baixa viscosidade ardem predominantemente numa chama de difusão que envolve as fronteiras do spray. A chama é alimentada pelos vapores libertados e assemelha-se às chamas de difusão de gases, apenas rodeada por algumas gotas em combustão perto da saída do atomizador [7]. Estas gotas ardem rapidamente ou são absorvidas pela chama de difusão, fazendo com que nenhuma gota seja observada em combustão isolada [7]. As chamas de combustíveis viscosos ardem de maneira substancialmente diferente. Nestas, observam-se ao longo do spray, diversas chamas independentes de pequenas dimensão, associadas à combustão isolada de gotas ou agrupamentos de gotas. Muitas gotas parecem arder individualmente fora da zona do spray e muitas outras sofrem fenómenos de quenching antes de terminarem a sua combustão [7]. Estes factos tornam as chamas de combustíveis viscosos menos homogéneas e diminuem as temperaturas atingidas. Assim, para as mesmas condições de atomização, os combustíveis mais viscosos, formam sprays mais espessos, que evaporam mais devagar, e ardem como chamas de difusão isoladas [7]. Muitas vezes, nos processos de combustão, é desejável maximizar a velocidade do ar, de modo melhorar as condições de mistura. A obtenção deste tipo de misturas apresenta diversas vantagens mas é limitada pelo aparecimento de fenómenos de blowout. Chen e Driscoll [20], como referido em [21], mostraram que um aumento da quantidade de ar coaxial provoca uma significativa diminuição do comprimento de chama e uma redução até 6 vezes nas emissões de NO x. O aumento do ar no jacto inicial diminui as necessidades de ar secundário a jusante o que resulta numa diminuição do comprimento de chama. A diminuição do comprimento de chama faz com que esta se mova para a zona próxima do queimador e, desse modo, fique sujeita a velocidades de escoamento superiores e tempos de residência menores. No entanto, para se obterem reduções significativas nas emissões de NO X, é, muitas vezes, necessário elevar a velocidade do ar para valores próximos do aparecimento de blowout. Este comportamento não é desejável, e por isso, é necessário de encontrar soluções aerodinâmicas que garantam a estabilidade da chama. A utilização de swirl, por exemplo, produz uma maior zona de recirculação que melhora a mistura entre ar e combustível e reduz o comprimento de chama. O vórtice de recirculação criado pelo swirl aumenta também os limites de estabilidade de chama até um factor de 5 quando comparada com chamas de jactos simples [21]. 11

25 Estabilização de chamas Feikeima et al. [21], num estudo sobre estabilidade de chamas, verificaram que a existência de swirl pode aumentar até 6 vezes os limites de blowout de uma chama. O swirl é benéfico pois reduz as velocidades e deformações locais na zona onde a chama estabiliza [21]. Feikeima et al. [21] constataram também que o efeito do swirl é mais benéfico para valores mais elevados, a partir dos quais se começa a observar a formação de uma zona de recirculação na chama. Chen et al. [22] relacionaram as propriedades dos jactos de combustível e as características da recirculação com as condições de estabilidade das chamas. Verificaram que a estabilidade de uma chama é influenciada por dois grandes factores: quantidade de movimento do jacto de combustível e intensidade da recirculação do vórtice. Para chamas com pouca quantidade de movimento e elevada recirculação, a quantidade de ar introduzida na zona de recirculação é superior à requerida para efectuar a combustão e, por isso, o comprimento da chama tende a ser igual ao comprimento da zona de recirculação [22]. Com o aumento da quantidade de movimento, o jacto de combustível acaba por atravessar a zona de recirculação e a chama torna-se semelhante às chamas de jactos simples [22]. Assim, verifica-se que a diminuição da quantidade de movimento do jacto e o aumento da intensidade da recirculação tendem a melhorar as condições de estabilidade das chamas [21], [22] e [23]. Tangirala et al. [23], num estudo análogo, verificaram as condições de estabilidade de chamas a operar em ambientes de elevado swirl. Observaram que a presença de chama e os consequentes fenómenos de transferência de calor tendem a aumentar a recirculação e a estabilidade da chama. Constataram também que um valor de swirl demasiado elevado não é adequado uma vez que tende a perturbar o escoamento diminuindo a turbulência e a estabilidade da chama [23] Aplicação ao Caso Particular da Glicerina Uma vez que o interesse na valorização energética da glicerina é recente, o número de estudos na área é diminuto, sendo, por isso, difícil estabelecer um contraditório entre as várias conclusões. Por diversas razões, a glicerina apresenta-se como um combustível difícil de queimar. Para além da sua elevada viscosidade (1030 cp a 22 ºC), possui um poder calorífico relativamente baixo (~16 MJ/kg) e uma temperatura de ignição consideravelmente elevada (370ºC). A conjugação destes factores exige que a atomização se efectue correctamente, num ambiente de elevada temperatura, garantindo às gotas tempos de residências, relativamente longos nas zonas quentes. 12

26 Metzger [24], aparentemente no primeiro estudo relevante sobre a queima comercial de glicerina, avaliou quais os parâmetros mais relevantes na eficiência do processo. A Figura 1.2 descreve a montagem utilizada (7 kw). Como se pode observar, foi utilizado um atomizador assistido e um queimador com swirl. Com o intuito de aumentar os níveis de recirculação e o tempo de residência das gotas na zona próxima do queimador, foi instalada uma placa de cobertura na zona da chama (ver Figura 1.2). Para abordar os problemas relacionados com a elevada viscosidade e temperatura de ignição, Metzger [24] optou por aquecer a glicerina até 100 ºC e pré aquecer a câmara de combustão até 1000 ºC antes de iniciar a atomização. Figura 1.2 Diagrama do queimador utilizado por Metzger [24]. No que diz respeito ao processo de combustão verificou-se que as emissões de poluentes são sobremaneira influenciadas pelo grau de pureza da glicerina queimada, mas de um modo geral, os valores de CO, hidrocarbonetos (HC) e NO x apresentados, estão dentro dos limites permitidos [24] [25]. Os testes evidenciaram também uma boa eficiência da combustão com o rácio CO/CO 2 a ficar abaixo de 10% [24] [25]. Para o caso particular das emissões de acroleína, o valor mais alto medido foi de 17,5 ppb, bastante abaixo do limite de 90 ppb referido nos estudos existentes à data [3]. Como ponto negativo, importa referir a formação de resíduos sólidos quer à saída do atomizador, quer no topo da câmara de combustão. Estes resíduos 13

27 formados durante o processo de combustão são constituídos maioritariamente por potássio [24], tendo a sua origem sidorelacionada com a utilização de catalisadores no processo de produção da glicerina [24]. Mais recentemente, Bohon et al. [25], usando uma fornalha semi-industrial de 82 kw, também estudaram os problemas relacionados com a combustão de glicerina. Os resultados obtidos relativamente às emissões de poluentes são semelhantes aos obtidos por Metzger [24] divergindo apenas nas emissões de NO X. Bohon et al. [25] observaram concentrações de NO X entre 150 e 240 ppm, enquanto Metzger [24] obteve valores entre 6 e 8 ppm. Esta discrepância de resultados foi explicada pelo aumento do tempo de residência e redução do swirl na fornalha industrial [25]. Patzer et al. [26], num estudo sobre a queima de misturas de glicerina com yellow grease numa caldeira industrial, analisaram a influência da incorporação da glicerina nas emissões de poluentes. Em comparação com a queima isolada de yellow grease verificaram que a incorporação de 10% de glicerina na combustão provoca um aumento considerável das emissões de HC e SO 2 e uma diminuição das emissões de CO. O NO X emitido mantém-se sensivelmente inalterado, mas a emissão de partículas sólidas aumenta substancialmente para o caso da queima de glicerina [26]. A informação comparativa deste estudo encontra-se resumida na Tabela 1.1. Tabela 1.1 Comparação das emissões em misturas de glicerina com yellow grease. Propriedade Poluentes NO x (ppm) CO (ppm) SO 2 (ppm) HC (ppm) Partículas (g/m 3 ) 10% glicerina e 90% yellow grease 108,95 2,0 20,39 11,86 7,78 100% yellow grease 125,5 5,4 3,05 0,45 1,81 Potência (MW) 85,2 85,2 Pratzer et al. [26] também identificaram, nos gases de exaustão, a formação de pequenas quantidades de ácido sulfúrico, cálcio, potássio, magnésio, fósforo, cloreto de hidrogénio e cloretos. Em relação à acroleína, os resultados obtidos não evidenciam qualquer tipo de emissão. Pratzer et al. [26] alertam também para os elevados conteúdos de cloro e cinzas na glicerina que podem, a longo prazo, provocar danos na estrutura das caldeiras, levando a um aumento dos custos de manutenção [26]. Importa referir a possibilidade de atomizar e queimar a glicerina em misturas glicerina- 14

28 água. Metzger [24] estudou esta solução com resultados muito positivos. Foi obtida uma redução de 80% nas emissões de CO para uma mistura formada por 80% de glicerina e 20% de água [24]. A descida dramática do CO pode ser explicada pelos fenómenos de oxidação do monóxido de carbono em contacto com radicais OH. A água, atomizada a altas temperaturas, dissocia-se em radicais H e OH que, pelo facto de serem altamente reactivos com o CO, provocam a sua oxidação levando a uma diminuição considerável deste poluente [27]. 1.3 Objectivos Esta dissertação tem como objectivo a compreensão dos fenómenos associados à atomização e combustão da glicerina. Para isso, propôs-se a execução de um estudo isotérmico de caracterização dos sprays e a realização de testes de combustão numa fornalha laboratorial. O estudo isotérmico pretende avaliar a influência do combustível e das condições de operação na qualidade da atomização, nomeadamente na estrutura e morfologia dos sprays. A realização de testes na fornalha pretende recolher dados que permitam caracterizar o comportamento energético e ambiental de sistemas alimentados a glicerina. Com a análise dos dados recolhidos pretende-se verificar as principais condicionantes e potencialidades de sistemas de combustão alimentados a glicerina. Com base na avaliação experimental realizada, deseja-se ainda estabelecer um conjunto de directrizes e recomendações com vista à realização de trabalhos futuros na mesma área. 15

29 2 Fundamentação Teórica 2.1 Introdução Neste capítulo são abordados os aspectos fundamentais relacionados com a atomização e combustão de líquidos viscosos. A secção 2.2 analisa os mecanismos envolvidos na formação de sprays, com especial atenção para os processos de desintegração de líquidos e formação de gotas, enquanto a secção 2.3 discute a combustão de sprays, com particular enfoque nos mecanismos de evaporação e combustão da gota. São também discutidos neste capítulo os mecanismos de formação de poluentes. 2.2 Processos Básicos de Atomização Como já foi referido, o processo de atomização é, na sua essência, a conversão de uma massa ou volume de líquido, em gotículas de pequenas dimensões. Quando ocorre a atomização, em resultado da interacção entre o líquido e o ar envolvente, são diversos os mecanismos de deformação envolvidos. O jacto líquido deixa o atomizador como um corpo contínuo, em forma cilíndrica, ficando sujeito a um conjunto de forças coesivas e destrutivas que dão origem a oscilações e perturbações. Em condições favoráveis, as oscilações são amplificadas e o líquido, inicialmente em forma de cilindro, desintegra-se em gotas individuais, num processo conhecido por atomização primária. Se as gotas formadas excederem um determinado diâmetro crítico voltam a ser desintegradas em gotas de menor dimensão. Este processo posterior é denominado por atomização secundária. As propriedades mais interessantes de um jacto são: o comprimento contínuo, que se relaciona com a taxa de crescimento das perturbações e o diâmetro médio das gotas, que mede o comprimento médio de onda das perturbações mais instáveis. Formação estática de gotas Antes de iniciar a discussão prática sobre os mecanismos envolvidos na atomização assistida a ar, é interessante fazer uma pequena revisão sobre a formação de gotas em regime estático. Este fenómeno descreve a formação de gotas no fim de um tubo e é considerado como o processo mais elementar de atomização. A Figura 2.1 representa esquematicamente o processo quasi-estático de formação de uma gota pendente. 16

30 Figura 2.1 Formação de uma gotícula na extremidade de um tudo cilíndrico Quando a força gravítica exercida sobre a gota de líquido excede a força estabilizadora da tensão superficial, a gota separa-se e uma gotícula independente é formada. A massa que constitui a gota é determinada, igualando a força gravítica à força de tensão superficial que actua na gotícula. Deste modo, uma gota formada lentamente a partir de um tudo de diâmetro interno d 0 apresenta a seguinte massa e diâmetro: Desintegração das gotas em escoamento de ar Ao sair do atomizador, o jacto contínuo de líquido, fica sujeito à interacção das forças aerodinâmicas exteriores. Estas perturbam o escoamento e provocam instabilidades que, em último caso, levam à quebra do jacto (atomização primária) e à posterior desintegração das gotas de maiores dimensões (atomização secundária). Uma solução matemática rigorosa do processo de desintegração de uma gotícula exige, no entanto, o conhecimento exacto da distribuição da pressão aerodinâmica em torno da gota. Esta informação é de difícil obtenção uma vez que as forças aerodinâmicas exercidas sobre a gota provocam a sua deformação, fazendo com que, a cada momento, exista uma nova distribuição de pressões e um novo estado de equilíbrio entre as forças internas e externas. Esta evolução é contínua e termina quando a gota se desintegra para formar novas gotas de menores dimensões. Em condições de equilíbrio, a pressão interna em qualquer ponto da superfície da gota, p I, é suficiente para igualar a pressão aerodinâmica, p ar, e a pressão da tensão superficial, p :

31 Note-se que para uma gota esférica: 2-4 A igualdade da equação (2-3) permite verificar que uma gota permanece estável enquanto a variação de p ar, em qualquer ponto da superfície da gota, poder ser compensada por uma variação equivalente de p, de modo a manter o valor de p I constante. Note-se, no entanto, que se o valor de pa r for elevado em comparação com p, qualquer variação apreciável de p ar, poderá não ser compensada pela correspondente variação de p de modo a manter p I constante. Nesta situação, a pressão externa p ar, deforma a gota, reduzindo p, o que em último caso, acaba por provocar a desintegração da gota em gotículas de menores dimensões [4]. Para estas gotas de menores dimensões, o valor de p é mais elevado (2-4) e pode ser suficiente para compensar as variações de p ar, tornando, nesse caso, a gota estável. Se isto não se verificar a gota vai continuando a ser fragmentada até atingir uma dimensão suficiente que permita a p compensar as variações de p ar. Quando este estado é alcançado, a gota torna-se estável, não havendo condições para ocorrem mais desintegrações [4]. Estas considerações conduzem ao conceito de diâmetro crítico de estabilidade da gota. Para gotas com diâmetro ligeiramente maior que o diâmetro crítico, o tempo de rotura aumenta com a diminuição do diâmetro, até se atingir um tempo de rotura infinito para as gotas de tamanho estável. Ou seja, gotas de tamanho estável (diâmetro igual ao diâmetro crítico) não se fragmentam mais. Neste particular, a viscosidade do líquido, opõe-se à deformação da gota, e com isso provoca um aumento do tempo de rotura, tornando mais difícil o processo de atomização. Verifica-se também que, se as forças aerodinâmicas que actuam na gota se reduzirem durante o período de rotura, pode não chegar a ocorrer desintegração, mesmo que as forças aerodinâmicas iniciais sejam suficientes para que a desintegração ocorra, ou seja, para se garantir um boa atomização, é necessário garantir as condições propícias ao longo de todo o spray e não apenas na zona inicial. Modo de desintegração das gotas Desde as primeiras investigações realizadas sobre atomização se verificou o interesse de estudar os diversos modos de formação de gotas. Fotografias de elevada resolução revelam que as gotas de líquido se podem formar de diversas maneiras, dependendo das condições de operação. Uma gota subitamente exposta a um escoamento de ar a alta velocidade (caso verificado na atomização assistida a ar) tem um modo de desintegração próprio. A gota é deformada na direcção oposta ao movimento, apresentando uma superfície convexa no sentido do escoamento. As extremidades da gota em forma de disco são arrastadas para trás, formando pequenos filamentos que posteriormente se separam para formar gotas 18

32 independentes. Em geral a rotura de uma gota é controlada pelo equilíbrio entre pressão dinâmica, tensão superficial e forças viscosas. Para líquidos de baixa viscosidade, a deformação é maioritariamente condicionada pelo rácio das forças aerodinâmicas, representado por e pela resultante da tensão superficial que é proporcional a. O encontro destas forças forma o número adimensional de Weber,. Quanto maior o número de Weber, maior são as deformações exteriores em comparação com as forças agregadoras da tensão superficial e mais facilmente se dá a rotura. Para qualquer líquido, a condição inicial de rotura é atingida quando as forças aerodinâmicas exteriores igualam as forças da tensão superficial interiores: 2-5 Rearranjando os termos da equação, obtemos o número de Weber 2-6 onde crit simboliza que as condições críticas foram atingidas, ou seja, a gota atingiu a instabilidade 2-7 Para uma determinada velocidade relativa U R o diâmetro máximo de uma gota estável é obtido pela equação 2-6 como: 2-8 Da mesma forma, a velocidade relativa máxima admissível para uma gota de diâmetro D é: 2-9 De modo a ter em conta a influência da viscosidade no processo de desintegração de uma gota, Heinze [28], como referido em Lefebvre [4], propôs o número adimensional, Z, definido como:

33 Este número adimensional, também conhecido como número de Ohnesorge, representa a razão entre uma força viscosa interna e uma força na superfície, resultante da tensão superficial. A influência deste número revelou-se fundamental na compreensão dos processos de atomização, em particular para líquidos viscosos. De acordo com Heinze [28], o efeito da viscosidade no número crítico de Weber pode ser contabilizado pela seguinte relação: 2-11 onde simboliza o número de Weber critico para viscosidade zero. Esta fórmula é considerada válida para líquidos viscosos, uma vez que tende para zero quando tende para zero. Assim, quando é muito pequeno, caso em que a resistência à deformação é baixa, o número de Weber aproxima-se do valor para viscosidade zero [4]. À medida que a viscosidade aumenta, o número de Ohnesorge aumenta, e consequentemente o número de Weber aumenta também, tornando desse modo o processo de atomização mais difícil. Desintegração de jactos líquidos Desde cedo, as investigações realizadas sobre a desintegração de jactos líquidos permitiram relacionar as características de operação dos sprays com os mecanismos de quebra de jacto. Num dos primeiros estudos teóricos sobre formação de gotas, Rayleigh [29], identificou as condições necessárias ao colapso de um jacto de líquido. Verificou que, para líquidos não-viscosos em condições de escoamento laminar, todas as perturbações com comprimento de onda maior que o perímetro do jacto líquido tendem a provocar deformações que, ao serem desenvolvidas, acabam por provocar a desintegração do jacto [29]. Figura 2.2 a) Desintegração de um jacto idealizado por Rayleigh [29]. b) Desintegração de um jacto de acordo com fotografias de alta velocidade. As conclusões de Rayleigh [29], embora relativas a líquidos não viscosos em condições 20

34 laminares, são também aplicáveis, como boa primeira aproximação, a jactos reais viscosos e turbulentos. Durante o processo de quebra do jacto, se as perturbações iniciais tiverem um comprimento de onda menor que um determinado comprimento mínimo,, as forças superficiais tendem a amortecer as perturbações e a estabilizar o jacto. Pelo contrário, se o comprimento de onda das perturbações for superior a as forças de tensão superficial tendem a aumentar as perturbações, provocando a instabilidade e desintegração do jacto. Verifica-se, no entanto, a existência de um comprimento de onda óptimo,, favorável à formação de novas gotas. Para líquidos viscosos: No processo de desintegração de jactos verifica-se também o efeito benéfico do aumento da velocidade relativa entre o líquido e o ar no desenvolvimento e indução de perturbações. Para o caso da glicerina a velocidade relativa mínima para se observar quebra de jacto são 20 m/s. A esta velocidade a distância de quebra de jacto teórica é infinita, sendo que, qualquer aumento da velocidade relativa tem como consequência a diminuição da distância de quebra. Haenlein [30], como referido em Lefebvre [4], apresentou resultados relativos à quebra de jactos em líquidos de elevada viscosidade. Para estes, verifica-se que o rácio entre comprimento de onda óptimo e o diâmetro de saída de líquido,, varia entre 30 e 40, enquanto para líquidos não viscosos não ultrapassa 5 [30]. Este facto significa que, para o mesmo diâmetro de saída do líquido, um líquido viscoso necessita de perturbações com maior comprimento de onda,, para atingir o mesmo grau de atomização. De um ponto de vista prático não é fácil descrever esquematicamente os mecanismos físicos envolvidos na desintegração de jactos. Estes são complexos, instáveis e dependem grandemente das condições e regimes de operação. Neste sentido, para as diversas condições de operação distinguem-se três regimes independentes de desintegração de jactos, representados. Estes são expressos pelos números de Reynolds e Ohnesorge e traduzem as diferentes relações entre as forças de inércia, tensão superficial e viscosas para cada um dos casos. A Figura 2.3 apresenta os três regimes de desintegração propostos. 21

35 Figura 2.3 Regimes de desintegração de jactos Os números 1, 2 e 3 representados na Figura 2.3 têm o seguinte significado: 1. Para números de Reynolds baixos, o jacto desintegra-se em gotículas de grandes dimensões e relativamente uniformes. Este é o mecanismo de desintegração de Rayleigh. 2. Para número de Reynolds intermédios, a desintegração do jacto é devida às oscilações no eixo do próprio jacto. A magnitude dessas oscilações aumenta com a resistência do ar até à desintegração do jacto. Neste processo são produzidas gotas de dimensões variadas. 3. Para número de Reynolds elevados, a atomização completa-se a uma pequena distância da saída do atomizador. O diâmetro médio das gotas é muito inferior ao diâmetro de saída do jacto. 2.3 Chamas de Combustíveis Líquidos A combustão de líquidos exige a sua prévia atomização que transforma o volume liquido num spray de pequenas gotas de combustível. Verifica-se que dependendo das condições de operação e do combustível podem-se formar diversos tipos de chamas. Em certas condições, parte do combustível pré evapora antes de entrar na zona reacção e formando-se, neste caso, uma chama com características semelhantes às chamas de pré mistura. Para outros casos, parte das gotas de combustível evapora de forma mais lenta, fazendo com que se forme uma zona de combustão onde as gotas de combustível ardem isoladamente. Estes factos tornam fundamental conhecer os diferentes regimes de combustão e a forma como as condições de operação os influenciam. 22

36 2.3.1 Combustão de Gotas e Sprays Evaporação da gota Em sistemas onde a temperatura do meio é elevada considera-se que a temperatura superficial da gota corresponde à temperatura de ebulição do líquido. Como consequência, a taxa de evaporação é controlada pela taxa de transmissão de calor do meio ambiente para a gota. Numa abordagem simplista, o meio ambiente fornece a energia necessária à evaporação da gota e o vapor formado é difundido da superfície da gota para o meio envolvente, fazendo com que a massa da gota e consequentemente o raio diminuam progressivamente até zero. Inicialmente, a maioria do calor fornecido, é usado para aumentar a temperatura da gota, mas à medida que a temperatura do líquido aumenta começa a libertar-se vapor. O vapor libertado passa a ter dois efeitos distintos: por um lado, parte do calor transferido para a gota é utilizado para fornecer calor latente de vaporização ao líquido, mas por outro lado, o fluxo exterior de vapor impede a transferência de calor para a gota. Este último fenómeno tende a diminuir o crescimento da temperatura superficial da gota, uniformizando a temperatura no seu interior. Eventualmente, é atingido um estado onde todo o calor transferido para a gota é usado para o calor latente e a temperatura da gota estabiliza na temperatura de bolbo húmido. Este processo termina quando se completa a evaporação ou seja, quando. A taxa de evaporação avalia a quantidade de calor transferida por condução para a superfície da gota a partir do meio quente que a envolve: 2-14 com 2-15 Ao fazer um balanço de massa à gota obtém-se então o tempo de vida esperado: 2-16 com

37 Combustão da gota Para se estudar a gota em regime de combustão é necessário assumir a existência de uma chama de difusão esférica e simétrica envolvente à gota. Para este caso, a restrição da temperatura da gota ser igual à temperatura de ebulição do líquido é eliminada, tornando a resolução do sistema substancialmente mais complexa. Figura 2.4 Perfis de temperatura e espécies para o modelo de combustão da gota. A Figura 2.4 apresenta os perfis de temperatura e espécies em torno de uma gota em processo de combustão. A temperatura da superfície da gota está representada por, a temperatura de chama por e a temperatura do meio ambiente por. Como se pode verificar, a fracção mássica de combustível (vapor),, é máxima à superfície da gota, decrescendo monotonamente até zero na zona da chama, onde todo o combustível é consumido. Por sua vez, o oxidante atinge o máximo (igual a 1) na zona afastada da chama, diminuindo até zero também na zona da chama. Os produtos de combustão são máximos na chama (igual a 1) difundindo-se no sentido da gota e da atmosfera circundante. Nestas condições, e tendo como incógnitas obtêm-se os seguintes valores para a taxa de combustão e tempo de vida da gota:

38 com, Combustão de Sprays A análise da combustão de uma gota isolada, apesar de fundamental à compreensão dos processos de combustão, é na maior parte do casos insuficiente na descrição da queima de sprays. O fenómeno de combustão de um spray é, muitas vezes, demasiado complexo para que seja possível ignorar os fenómenos de interacção entre gotas. Na combustão de sprays é necessário começar por estabelecer se o processo é controlado pela combustão de um conjunto de gotas isoladas, cada uma na presença de uma chama envolvente ou, pelo contrário, pela combustão de vapor de combustível, envolvendo o spray, proveniente da evaporação de uma nuvem de gotas. De facto, verifica-se que a combustão de um spray não deve ser simulada como a combustão de um conjunto de gotas individuais, mas que o cálculo da taxa de evaporação das gotas de um spray deve basear-se nas leis físicas obtidas para uma gota isolada. No caso de se obter um spray com gotas de pequenas dimensões e elevada volatilidade estabelece-se um processo de combustão homogénea, onde as gotas evaporam à medida que se aproximam da frente de chama. Para este caso, observa-se a combustão de uma nuvem de vapor, proveniente da evaporação rápida das gotas, em vez de combustão de gotas isoladas. Pelo contrário, se o spray obtido tiver gotas de maiores dimensões e menos voláteis, estabelece-se um processo de combustão heterogénea. As gotas de combustível entram na zona de reacção fazendo com que se forme uma chama alimentada pelos vapores de combustíveis, mas onde coexistem gotas em combustão isolada. Conclui-se, então, pela a existência de dois tipos de combustão consoante as características do combustível. Para o caso de combustíveis de elevada volatilidade, a combustão é limitada pela taxa de mistura entre o vapor de combustível e o ar. Pelo contrário, para combustíveis de menor volatilidade e gotas de maiores dimensões, a combustão passa a ser controlada pelas taxas de evaporação da gota [31]. Em atomizadores assistidos a ar, estabelecem-se zonas com baixas concentrações de oxigénio e baixas temperaturas no interior do spray que causam o deslocamento da chama para as suas fronteiras exteriores. De acordo com a teoria, o comportamento colectivo das gotas em sprays líquidos origina misturas ricas no centro do spray que, devido à insuficiência 25

39 de ar, não inflamam. Por fenómenos de convecção e difusão, o combustível é transportado radialmente do centro para o exterior, o que conduz ao estabelecimento de zonas inflamáveis a uma certa distância da linha central do spray. Nesta zonas estabelecem-se, então, chamas de difusão. À medida que nos afastamos da região densa do centro do spray, a distância entre gotas aumenta e o seu tamanho diminui, de tal forma que a concentração de oxidante aumenta, tornando possível a combustão, isolada ou em grupo, de algumas gotas Formação de Poluentes Esta secção apresenta uma revisão dos principais mecanismos de formação de poluentes em processos de combustão. Para o caso particular da queima de glicerina é dada particular à atenção à formação de monóxido de carbono, CO, hidrocarbonetos, HC, óxidos de azoto, NO X, e acroleína, C 3 H 4 O. Formação de CO e HC Nos vários processos de queima verifica-se que a formação de CO e HC está directamente relacionada com as relações de equilíbrio entre combustível e oxidante. Para sistemas de combustão que recorrem a chamas de difusão ou sprays líquidos observam-se duas fontes independentes de CO e HC. A primeira está relacionada com o aparecimento, na câmara de combustão, de zonas onde a mistura é pobre. Nestas circunstâncias, o processo de combustão é lento, o que potência a oxidação do combustível apenas parcial, levando à formação de compostos intermédios como aldeídos e CO. Para reduzir a importância deste mecanismo de formação é fundamental controlar as características da atomização do combustível e o processo de mistura ar/combustível. Este tipo de formação de CO e HC é particularmente relevante para equipamentos a operar com cargas reduzidas onde o excesso de ar é elevado. A outra fonte de CO e HC associada à combustão de sprays líquidos em chamas de difusão verifica-se nas zonas onde as misturas obtidas são ricas. Nestas condições, alguns fragmentos de combustível não se misturam adequadamente com o ar, ou, mesmo que isso aconteça, os tempos de residência na câmara de combustão são insuficientes para que a combustão seja completa. Estes fenómenos tornam a combustão deficiente e a oxidação do combustível incompleta o que, em último caso, acaba por levar à formação excessiva de CO e HC. Este mecanismo revela-se importante em equipamentos a operar com cargas elevadas e com excesso de ar reduzido. Para a formação de HC e CO destacam-se também os fenómenos de quenching nas superfícies da caldeira e os problemas relacionados com a atomização ocasionalmente deficiente do líquido combustível. 26

40 Formação de NO No processo de combustão as emissões de óxidos de azoto designam-se geralmente por NO X. Esta denominação é comum e define o conjunto de emissões de óxido de azoto (NO) e dióxido de azoto (NO 2 ). Apesar de, em alguns sistemas de queima, se verificarem emissões de NO 2 consideráveis, na grande maioria dos processos combustão as emissões de NO são, de longe, a principal fonte de NO X. Assim, a presente análise, centra-se nos processos de formação de NO, mais especificamente nos 4 mecanismos de formação identificados: mecanismo térmico, mecanismo imediato, mecanismo com N 2 O com intermédio e mecanismo do combustível. O mecanismo térmico, ou de Zeldovich, envolve a formação de NO a partir do azoto atmosférico e ocorre em zonas onde se verificam temperaturas elevadas. Verifica-se também que este mecanismo pode ocorrer para uma vasta gama de razões de equivalência, envolvendo as seguintes reacções A razão que torna este mecanismo dependente de elevadas temperaturas tem que ver com a elevada energia de activação necessária à quebra da ligação tripla da molécula de N 2 (reacção2-22). Esta reacção exige temperaturas superiores a 1850 K. Por outro lado, a reacção (2-23) requer a presença de zonas de elevadas concentrações de oxigénio, sendo que, pelo facto de ser necessário quebrar a ligação da molécula O 2, está também associada a elevadas temperaturas [32]. Finalmente, a reacção (2-24), apesar de não necessitar de uma elevada energia de activação, exige a presença de radicais OH e, como tal, está também associada a zonas de elevadas temperaturas. Ainda em relação à reacção (2-24) falta acrescentar que, devido à instabilidade e localização dos radicais OH, esta é muito mais rápida que as anteriores, ocorrendo maioritariamente na zona de reacção. O mecanismo imediato, ou de Fenimore, envolve reacções de radicais de hidrocarbonetos com azoto molecular e ocorre principalmente em zonas ricas. Este mecanismo dá origem a compostos de ciano que, por sua vez são convertidos em compostos intermédios que potenciam a formação de NO, de acordo com: 27

41 Subsequentemente, o azoto formado é oxidado, de acordo com as reacções (2-23) e (2-24), dando assim origem a NO x. O mecanismo com N 2 O com intermédio ocorre essencialmente em chamas de prémistura pobres ( ) e, por esse facto, caracteriza-se por baixas temperaturas. Estudos desenvolvidos por [33] tiveram em consideração este mecanismo de formação de NO para obter uma melhor aproximação às emissões observadas. O conjunto principal de reacções que o descreve é o seguinte: O mecanismo do combustível envolve a formação de NO a partir do azoto presente no combustível, sendo particularmente importante na combustão de fuelóleo residual. Nos momentos iniciais, o azoto emerge do combustível na forma de radicais HCN, que rapidamente originam NH i. Posteriormente os radicais NH i reagem com O 2 e NO para formar NO e N 2, respectivamente, de acordo com as seguintes reacções globais: 2-30 A formação de NO através deste mecanismo é fortemente dependente da fracção mássica de azoto presente no combustível e da concentração local de O 2. Em contraste, a sua dependência da temperatura é marginal. Formação de acroleína A acroleína (C 3 H 4 O), um aldeído não saturado de elevada instabilidade e toxicidade, é frequentemente formada nos processos de combustão de glicerina. Esta apresenta um elevado risco para a saúde, mesmo em pequenas concentrações (0,09 ppm), e, por isso, é desejável 28

42 reduzir ao mínimo a sua emissão. Durante o processo de combustão, para temperaturas superiores a 280 ºC, forma-se em resultado da decomposição térmica do glicerol [3]. A Figura 2.5 esquematiza a reacção química de formação da acroleína, através da desidratação de uma molécula de glicerol. Figura 2.5 Reacção de decomposição do glicerol em acroleína. Devido à elevada instabilidade da acroleína, é possível reduzir consideravelmente as suas emissões através do controlo das condições de queima. Se o regime de combustão for adequado e o tempo de residência suficiente, a acroleína formada decompõe-se em hidrocarbonetos menores que são rapidamente oxidados. Neste particular, para temperaturas superiores a 1000 ºC, observa-se que a acroleína deixa de ser produzida no processo de combustão da glicerina [34] e [35]. Uma vez que a temperatura adiabática de chama do glicerol ronda 2020 K torna-se evidente que a produção de acroleína no processo de combustão da glicerina está relacionada com formação de zonas de queima deficientes que devem ser a todo o custo evitadas. 29

43 3 Instalações Experimentais 3.1 Introdução Este capítulo descreve a secção de teste usada para o estudo isotérmico dos sprays de glicerina e a fornalha laboratorial utilizada nos testes de combustão. São também apresentados neste capítulo os atomizadores e queimadores desenvolvidos para o presente estudo. 3.2 Caracterização dos Sprays A Figura 3.1 apresenta o esquema geral da secção de teste para a caracterização dos sprays. Esta é constituída por uma bancada óptica, pelos sistemas de alimentação de líquido e ar, pela instrumentação de medida e por um sistema de atravessamento tridimensional acoplado ao atomizador para a medição das características do spray em diversas posições. A bancada óptica é constituída por uma câmara central, de secção quadrangular com 1,0 m de lado, construída em aço inoxidável. Esta câmara contém, no seu interior, uma conduta convergente para a extracção do vapor formado no processo de atomização de modo a que este não afecte a qualidade das medidas. No topo da câmara central está apoiado o sistema de medição, constituído por um emissor (laser), um receptor e uma mesa de suporte que garante o alinhamento entre os dois. A instrumentação de medida é formada por um emissor (laser), que produz uma luz monocromática com um determinado diâmetro, e um receptor que detecta a distribuição de luz ao longo de um plano normal à direcção da luz não difractada. A informação é recolhida e tratada com o auxílio de um computador integrado no sistema de medida (ver secção 4.2). Os sistemas de alimentação de combustível e ar de atomização utilizados na caracterização isotérmica dos sprays são os mesmos utilizados para o processo de combustão. Ver secção Atomizadores As Imagens 3.1 e 3.2 mostram os atomizadores utilizados neste trabalho. O atomizador nº 1, representado esquematicamente na Figura 3.2, tem um diâmetro de saída do líquido com 1,8 mm e um diâmetro de saída do ar com 5 mm. Para este atomizador é possível variar a posição de saída do ar, variando a velocidade sem alterar o caudal mássico. Este atomizador produz um spray circular cheio e axi-simétrico (ver Figura 3.2). O atomizador nº 2, representado esquematicamente na Figura 3.3, tem um diâmetro de saída do líquido de 1 mm e dois orifícios para a saída do ar de 1 mm cada. Estes orifícios estão 30

44 colocados em posições diametralmente opostas, ao longo de um plano que cruza o centro do atomizador (ver Figura 3.3). Devido a esta característica de concepção, este atomizador gera um spray com forma oval (ver Figura 3.3), não axi-simétrico. 3.3 Combustão da Glicerina Fornalha e Equipamento Auxiliar A fornalha laboratorial encontra-se representada esquematicamente na Figura 3.4, onde se pode ver também o sistema de alimentação de glicerina e os sistemas de alimentação de combustíveis gasosos, ar de atomização e ar secundário. Nesta figura estão também representados os sistemas de exaustão e tratamento de gases. Câmara de combustão A câmara de combustão é constituída por oito segmentos cilíndricos refrigerados a água. O queimador está colocado no topo da fornalha (ver Figura 3.5) para facilitar a remoção de partículas resultantes do processo de combustão e minimizar assimetrias causadas for fenómenos de convecção natural. Cada segmento tem 0,6 m de diâmetro interno e 0,3 m de altura. O topo da fornalha e os primeiros quatro segmentos possuem um revestimento interno em cimento refractário com 13 cm de espessura capaz de suportar temperaturas próximas de 1500 ºC. Entre o revestimento refractário e a camisa de água está colocada uma camada de fibra cerâmica com 5 cm de espessura. Todos os segmentos possuem duas janelas circulares com 21,5 cm de diâmetro, diametralmente opostas, que permitem o acesso ao interior da câmara de combustão. As paredes internas dos primeiros quatro segmentos estão equipadas com termopares do tipo R, que permitem monitorizar as temperaturas superficiais das paredes interiores da câmara de combustão. Além dos termopares, nos primeiros quatro segmentos da câmara de combustão estão também instaladas sondas para registar a pressão estática no interior da câmara de combustão. O circuito de água de refrigeração, independente para cada um dos oitos segmentos, está equipado com termopares do tipo J, que permitem controlar as temperaturas de entrada e saída da água em cada segmento. O caudal de refrigeração que circula em cada segmento é regulado por uma válvula e medido com o auxílio de um rotâmetro. Sistema de exaustão O sistema de exaustão da fornalha, representado na Figura 3.4, foi projectado de forma a minimizar a emissão de partículas sólidas e reduzir a temperatura de exaustão dos gases de 31

45 combustão. A primeira parte do sistema, situado na base da câmara de combustão e apresentado na Figura 3.6, consiste numa conduta convergente, onde está colocado um chuveiro central, seguido de uma pequena conduta de secção constante, onde estão colocados dois jactos de água planos e, finalmente, um separador. A exaustão dos gases é feita tangencialmente de tal forma que a acção da força centrífuga projecte as partículas sólidas de maiores dimensões para as paredes do separador. As partículas acabam por ser arrastadas pela água proveniente dos chuveiros para interior da tina. Durante a execução dos ensaios o nível de água na tina é mantido constante para evitar perturbações do escoamento no interior da câmara de combustão. A segunda parte do sistema de exaustão, representada na Figura 3.4 liga o separador, descrito anteriormente, à chaminé, estando equipada com uma abertura variável, para regular a pressão no interior da câmara de combustão, um ciclone para eliminar partículas que, eventualmente, tenham escapado ao sistema de recolha na base da fornalha e um filtro de cartuchos para tratamento dos gases. No ciclone, as partículas são extraídas através de um processo de centrifugação dos gases. Os gases com partículas entram tangencialmente na câmara do ciclone, de formato cónico, e iniciam um escoamento rotativo. Neste escoamento, as partículas sólidas, muito mais densas que os gases, têm tendência a permanecer nas trajectórias exteriores e assim colidir com as paredes da câmara. Com as colisões as partículas perdem velocidade e acabam por desacoplar do escoamento, caindo em direcção ao fundo da câmara, onde são extraídas. Os gases, após percorrem algumas voltas no interior do ciclone, saem pela parte superior, através de um tubo central, já sem grande parte das partículas. Mais informação relativa ao princípio de funcionamento dos ciclones pode ser encontrada na literatura [38]. O filtro de cartuchos, representado na Figura 3.4, tem uma capacidade de 800 m 3 /h, uma área de filtragem de 11 m 2 e uma velocidade de filtragem de 73 m 3 /m 2 /h. Com este valores o filtro garante uma emissão de partículas inferior a 10 mg/m 3. Sistema de ignição O sistema de ignição da fornalha é constituído por um pequeno queimador alimentado a gás natural, situado no topo da fornalha (ver Figura 3.5). Este queimador produz uma chama piloto que ajuda a estabelecer a chama principal. O ar de combustão da chama piloto é fornecido por um ventilador próprio e a sua ignição é efectuada com o auxílio de uma descarga eléctrica de alta voltagem. 32

46 Sistema de alimentação de gás natural A alimentação de gás natural ao queimador e ao sistema de ignição são efectuadas de forma independente, através de duas ligações à rede de gás natural existente no laboratório. O gás natural alimenta a linha de forma continua a uma pressão de 22 mbar e um caudal máximo de 40 m 3 /h. Para o sistema que alimenta o queimador, o gás é medido com o auxílio de um rotâmetro digital e regulado através de uma válvula de regulação fina montada a montante. Adicionalmente, imediatamente antes do queimador, por razões de segurança, existe uma válvula de corte rápido. O sistema de alimentação da chama piloto é mais simples, possuindo apenas uma válvula de corte rápido junto da fornalha. Sistema de Alimentação de Hidrogénio No decurso do presente trabalho foi também utilizado hidrogénio. A alimentação deste à fornalha é efectuada através de um sistema de alimentação independente, constituído por uma bateria de garrafas, um sistema regulação de pressão, uma válvula de corte, uma válvula de regulação fina e um rotâmetro devidamente calibrado. A linha encontra-se montada da seguinte forma. À saída das garrafas encontra-se um redutor de pressão para regular a pressão da linha para 2 bar; posteriormente encontra-se uma válvula de regulação fina, um rotâmetro e um manómetro para regular o caudal e pressão de alimentação de hidrogénio à fornalha. Finalmente, por razões de segurança, encontra-se montada uma válvula de corte rápido, imediatamente antes da entrada no queimador. Sistema de alimentação de glicerina O sistema de alimentação de glicerina encontra-se representado na Figura 3.4. Este sistema inclui um reservatório com capacidade de 0,2 m 3, munido de um conjunto de três resistências com potência total de 4,5 kw. O controlo da temperatura da glicerina no interior do reservatório é efectuado através de um termóstato. O reservatório encontra-se colocado sobre uma balança electrónica com uma capacidade de 300 kg e uma sensibilidade de 20 g. A balança está ligada a um computador, através de uma interface apropriada, que permite monitorizar em intervalos de 1 min o peso do reservatório e, consequentemente, calcular o caudal de glicerina. A glicerina é bombeada do reservatório até ao atomizador, através de uma mangueira flexível de elevada resistência. A mangueira é construída em borracha reforçada, com diâmetro interno de 25 mm, suportando pressões até 58 bar e temperaturas até 120 ºC. O caudal 33

47 debitado pela bomba é controlado pelo curso do êmbolo, sendo a velocidade de rotação do motor eléctrico constante. A jusante da bomba encontra-se montado um sistema de amortecimento de pulsações (ver Figura 3.4), que permite eliminar as flutuações de pressão causadas pelo funcionamento da bomba. O amortecedor utilizado é de baixa pressão, possui uma membrana flexível do tipo bexiga, um volume nominal de 0,15 l e uma taxa de amortecimento prevista de 95%. Sistemas de Alimentação de Ar O ar de atomização é fornecido por uma central de ar comprimido, cuja pressão nominal é 10 bar. O caudal de ar de atomização é controlado através de uma válvula de regulação e medido com o auxílio de um rotâmetro, devidamente calibrado, com capacidade máxima de 13,2 m 3 /h. O ar secundário é alimentado à fornalha por um ventilador independente. O ventilador é accionado através de um motor eléctrico de velocidade variável que permite regular o caudal de ar inserido, o qual é medido com o auxílio de um orifício calibrado Operação da Fornalha O processo de testes na fornalha inicia-se com o seu pré-aquecimento. Para isso estabelece-se a chama piloto, e depois a chama principal alimentada apenas a gás natural. Quando a temperatura das paredes dos primeiros 4 segmentos atinge, aproximadamente, 750 ºC, desliga-se a chama piloto e iniciam-se os testes. Nos testes começa-se por regular o caudal de ar de atomização para o valor pretendido e adicionar o caudal de hidrogénio desejado. De seguida liga-se a bomba do sistema de alimentação de glicerina e o caudal de gás natural vai sendo diminuído à medida do desejado para cada condição de ensaio. Durante as medidas existe o cuidado de manter o interior da fornalha o mais próximo da pressão atmosférica possível para não existir contaminação das medidas e do ambiente no laboratório. A pressão no interior da fornalha é controlada através do dispositivo colocado na conduta de exaustão, referido anteriormente. 34

48 Figura 3.1 Representação esquemática da secção de teste usado na caracterização isotérmica dos sprays de glicerina. 35

49 Imagem 3.1 Atomizador nº 1, com pormenor injector. Figura Esquema do atomizador nº 1. 36

50 Imagem Atomizador nº 2, com pormenor injector. Figura 3.3 Esquema do atomizador nº 2. 37

51 Figura 3.4 Representação esquemática da fornalha e equipamentos auxiliares. 38

52 Figura 3.5 Representação esquemática do topo da fornalha e dos atomizadores utilizados. Figura 3.6 Representação esquemática do sistema de exaustão. 39

53 4 Técnicas e Incertezas Experimentais 4.1 Introdução Este capítulo apresenta as técnicas e procedimentos experimentais envolvidos no estudo isotérmico dos sprays e também na caracterização das chamas de glicerina. O capítulo descreve ainda as incertezas experimentais associadas às medidas. 4.2 Caracterização dos Sprays É usualmente aceite que a melhor forma de caracterizar um spray consiste na medição do tamanho médio das gotas, sendo por isso diversas as técnicas de medição revistas na literatura [4]. Para esta aplicação foi seleccionada uma técnica óptica, baseada no princípio de Fraunhofer, de difracção de um feixe de luz monocromática por gotas em movimento. Esta técnica é de uso abrangente e para aplicá-la foi utilizado o sistema comercial de medição Malvern Particle Size Analyser, Type O princípio de funcionamento deste sistema encontra-se descrito em pormenor na literatura [9] e [36]. Como tal, nesta secção, é apenas efectuada uma breve revisão dos princípios de funcionamento, com especial ênfase para as características mais relevantes ao estudo desenvolvido. Princípios de funcionamento e operação do sistema O sistema Malvern é composto por um emissor laser de baixa potência 10 mw He-Ne (λ = 0,6328 μm) e por um receptor ligado a um computador. O emissor encontra-se associado a um sistema de lentes que produzem um feixe de luz colimada com 9 ou 18 mm de diâmetro consoante a montagem utilizada. O feixe de luz, ao atravessar o spray, intercepta as gotas. Estas interagem e originam fenómenos de difracção, que fazem com que os feixes de luz acabem por chegar ao receptor num determinado ângulo. O receptor é constituído por uma lente de Fourier que, de acordo com o ângulo de incidência, direcciona os feixes de luz para uma série de 31 díodos dispostos concentricamente. Esta lente é sensível ao ângulo de difracção, fazendo com que a luz difractada seja redireccionada para cada um dos díodos, de acordo com ângulo de chegada, ou seja, dois feixes de luz difractados com o mesmo ângulo são dirigidos para o mesmo díodo, independentemente do local onde sofreram a difracção. Este tipo de comportamento faz com que as medições de diâmetro sejam somente dependentes do diâmetro da gota e nunca da sua posição no volume de controlo. A representação esquemática deste princípio é apresentada na Figura 4.1. A lente de Fourier usada no receptor é variável e deve ser escolhida adequadamente para cada tipo de spray, de acordo com a Tabela 4.1. No caso dos sprays em estudo, foi usada uma lente com uma distância focal de 300 mm capaz de detectar gotas com diâmetros entre 5,8 40

54 e 564 μm. O sistema Malvern indica também uma estimativa da percentagem do volume normalizado de gotas menores que o limite inferior da gama de medida de cada lente que, no presente estudo, variou entre 1% e 5 %. Tabela 4.1 Distâncias focais e gamas de medida para as diversas lentes. Distância focal da lente (mm) Gama de Medição (μm) 63 1, , , , , , Para se efectuar o tratamento de dados Malvern e obter a distribuição de gotas no spray, o software fornecido com o equipamento dispõe de quatro distribuições (normal, log normal, Rosin-Rammler e um modelo independente). No presente estudo, foi utilizado o modelo Rosin- Rammler. Este modelo assume, a priori, uma distribuição monomodal e é ajustado por dois parâmetros X e N. Uma vez que o modelo Rosin-Rammler adapta o espectro observado a uma distribuição pré-definida, são cometidos alguns erros de aproximação, mas para os presentes sprays verificou-se que os erros cometidos não ultrapassaram os 5 %, estando de acordo com a literatura [37]. É importante notar que o Malvern fornece apenas uma distribuição normalizada do tamanho das gotas contidas no volume de análise e não uma resolução espacial da distribuição das mesmas. O Malvern avalia o tamanho das gotas através de diversos varrimentos para cada um dos anéis e, por isso, as medidas obtidas representam uma média temporal dos resultados. No presente trabalho foram usados 500 varrimentos, uma vez que um aumento deste valor revelou não ter significado relevante na melhoria dos resultados. Para facilitar a comparação dos resultados experimentais é prática comum reduzir a função distribuição do volume das gotículas a um valor representativo do diâmetro médio das gotas. Esta prática tem como vantagem tornar mais simples a análise dos resultados, sem perda significativa da informação. Neste estudo foi utilizado o Diâmetro Médio de Sauter (SMD ou D 32 ), que representa o diâmetro de uma gota igual à razão entre o volume e a superfície totais resultantes do somatório de todas as gotas do spray. Para intervalos infinitos de gotículas, D 32, é definido por [4]: 41

55 4-1 por [4]: Como o sistema Malvern tem um numero limitado de intervalos de gotas, D 32, é definido 4-2 em que o N i é o numero de gotas com o diâmetro D i e V i o volume total de gotas com o diâmetro D i. Obscuração, difracção múltipla Uma das desvantagens da utilização de sistemas do tipo Malvern reside na incerteza dos resultados quando medidos em sprays densos que apresentem elevada obscuração. Este valor, obscuração, mede o grau de atenuação da intensidade da luz que o receptor recebe na presença de um spray e é definido por: 4-3 Obtêm-se valores de obscuração 0 para casos em que a totalidade da energia emitida pelo laser é captada e 1 quando nenhuma da energia emitida é captada. Verifica-se que, quanto mais denso o spray, maior é a dificuldade de passagem do feixe de luz e consequentemente maior será o valor da obscuração e a incerteza dos resultados. A literatura existente [36] e [37] refere que os resultados obtidos são coerentes e fidedignos para valores de obscuração iguais ou inferiores a 0,5. Para valores superiores começam a observar-se fenómenos de difracção múltipla que prejudicam os resultados. Particularmente, neste estudo, foram detectados valores de obscuração superiores as 0,5 para distâncias axiais menores que 30 mm, medidas a partir da ponta do atomizador, independentemente das condições de operação. Para lá dessa distância, a obscuração tornou-se essencialmente dependente do valor de AFR. Para os dois atomizadores considerados obtiveram-se valores de obscuração menores que 0,5 para AFR < 1 e maiores que 0,5 para AFR > 1. A difracção múltipla, referida anteriormente, é um fenómeno directamente ligado aos elevados valores de obscuração. À medida que o spray se torna mais denso e opaco, os feixes de luz começam a ter maior dificuldade a atravessa-lo e acabam por sofrer fenómenos de difracção múltipla. Difracção múltipla verifica-se quando um feixe de luz, ao atravessar o spray, sofre difracção por mais do que uma gota. Isto faz com que este feixe de luz chegue ao receptor 42

56 com um ângulo demasiado elevado que, depois de passar pela lente de Fourier, acaba por ser interpretado como um sinal resultante de uma gota de menor dimensão. Assim, quando a obscuração é muito elevada o Malvern apresenta valores de diâmetro médio menores do que aqueles que existem na realidade. Para a elaboração deste estudo, todos os dados recolhidos foram obtidos com valores de obscuração próximos de 0,5 e, como tal, a incerteza ligada à obscuração do spray pode ser negligenciada. 4.3 Combustão da Glicerina No âmbito desta deste trabalho e com o objectivo de caracterizar melhor o processo de queima da glicerina, foram efectuados dois tipos de análises durante o processo de combustão na fornalha laboratorial. Especificamente, foram executadas medições das espécies químicas contidas nos gases de exaustão, e efectuadas recolhas de depósitos formados no interior da fornalha, os quais foram posteriormente analisados recorrendo a um microscópio electrónico de varrimento (SEM), equipado com um espectrómetro de dispersão de energia de raios X (EDS) Espécies Químicas Gasosas Sistema de medição O sistema de amostragem utilizado no presente trabalho para análise das espécies químicas gasosas encontra-se esquematizado na Figura 4.2. O sistema é constituído por uma sonda em aço-inox, um condensador, um secador, um filtro, uma bomba de diafragma e um rotâmetro. Todas as linhas do sistema de amostragem são em PTFE (teflon), material quimicamente inerte, que permite evitar alterações na amostra durante o processo de amostragem. A linha que liga a extremidade da sonda, utilizada no processo de amostragem na exaustão da fornalha, ao condensador é aquecida, por intermédio de uma resistência eléctrica, que mantêm a temperatura da amostra acima dos 110 ºC. Desta forma é possível evitar a condensação de vapor de água, contido na amostra, no interior da linha de amostragem e eliminar o risco de condensação de espécies químicas como HC, NO 2 e CO 2 na água. A água contida na amostra é retirada, em grande parte, no condensador e, posteriormente, eventuais vestígios são eliminados no secador. O filtro permite retirar da amostra partículas sólidas recolhidas no processo de amostragem. Assim, obtêm-se uma amostra seca e limpa, a qual é enviada para os analisadores de gases. A Tabela 4.2 resume as principais características dos analisadores utilizados no presente estudo. Os analisadores são calibrados no inicio e final de cada sessão de medidas. As misturas padrão utilizadas no decurso do presente trabalho encontram-se listas na Tabela

57 Tabela 4.2 Características dos analisadores utilizados Analisador Gás Método Gamas de Medida Horiba, modelo CMA-331 A O 2 Paramagnetismo 0-25% Horiba, modelo Não dispersivo de CO 2 CMA-331 A infravermelhos 0-50% Horiba, modelo Não dispersivo de CO CMA-331 A infravermelhos /5000 ppm Horiba, modelo CLA-510 SS NO X Quimiluminescência 0-100/250ppm Amluk, modelo Detecção por HC FID E 2020 ionização de chama 0-10/100ppm Tabela 4.3 Misturas padrão utilizadas para a calibração dos analisadores Gás Concentração O 2 0; 20,9 % CO 2 0; 8% CO 0; 90 ppm NO X 0; 92 ppm HC 0; 80 ppm (C 3 H 8 ) A Figura 4.3 mostra esquematicamente a sonda utilizada para a recolha dos gases na exaustão da fornalha. Trata-se de uma sonda de arrefecimento convectivo indirecto, refrigerada a água, fabricada em aço-inox, material quimicamente inerte e resistente à corrosão. No decorrer dos ensaios, a sonda encontra-se permanentemente colocada em uma das janelas do último segmento da fornalha. A recolha de gases efectua-se através do tubo central que possui 4 mm de diâmetro interno. Incerteza dos resultados A precisão das medidas de espécies químicas efectuadas com o auxílio de métodos intrusivos é, maioritariamente, condicionada pelos seguintes factores: a) perturbações introduzidas pela sonda e erros associados à amostragem não isocinética; b) eficácia do congelamento das reacções químicas à entrada da sonda e c) dissolução de certas espécies gasosas na água. Para o caso particular deste estudo todas as medidas foram efectuadas no sistema de exaustão e, como tal, os factores acima apresentados são fortemente atenuados. Rebola [39] demonstrou que para uma fornalha a operar em condições semelhantes, os erros associados às perturbações aerodinâmicas causados pela sonda são marginais, não tendo influência 44

58 significativa nos resultados. Nas sondas de arrefecimento convectivo indirecto utilizadas (ver Figura 4.3), o arrefecimento é proporcionado pelo contacto da amostra com a própria sonda. Nas medidas efectuadas na exaustão da fornalha, o arrefecimento rápido da amostra é um aspecto secundário, dado que a temperatura máxima obtida durante os ensaios não supera 420 ºC. Embora a estas temperaturas ainda se verifique a conversão de algumas espécies, a maioria das reacções têm taxas de reacção extremamente baixas. Medição da acroleína Para analisar a presença de acroleína no processo de combustão foram retiradas amostras dos gases de exaustão para as várias condições de funcionamento. As amostras de 1 ml foram retiradas do sistema de exaustão com o auxílio de uma seringa aprorpiada e colocadas em recipientes herméticos preparados para o efeito. Posteriormente, as amostra contidas nos recipientes são analisadas com recurso a cromatografia gasosa, realizada num cromatógrafo Perkin-Elmer Clarus GC500. O cromatógrafo utilizado apresenta dois canais de análise, tendo o canal A um detector de tipo FID e o canal B um detector do tipo TCD. Para este estudo foi utilizado apenas o canal B. Foi utilizada uma coluna de separação da Altech, modelo Hayesep DB 100/120 com 9,1 m de comprimento. Na coluna, dá-se a análise e separação dos gases, consoante o tempo de retenção e afinidade do material activo na coluna. A coluna tem mais afinidade para uns elementos do que para outros, fazendo com que os vários elementos sejam detectados com tempos diferentes. Cada elemento apresenta um ponto de saída bem distinto, ocorrendo o da glicerina aos 35 min após a injecção de amostra no equipamento. Para calibração do sistema, foi utilizada uma amostra de acroleína pura. No Anexo A são apresentados dois exemplos de cromatogramas obtidos no presente trabalho. Um para a calibração do equipamento com acroleína e outro representativo de uma amostra dos gases de escape Depósitos Os depósitos formados durante a operação da fornalha, depois de recolhidos, foram analisados num microscópio electrónico de varrimento (SEM), marca JEOL, modelo JSM 700F, equipado com um espectrómetro de dispersão de energia de raios X (EDS). O microscópio permite a obtenção de imagens tridimensionais de uma área seleccionada da amostra através da irradiação por um feixe de electrões. A análise da composição química é efectuada no espectrómetro de dispersão de energia (EDS), através da medição da distribuição de energia e intensidade dos sinais de raios X, 45

59 gerados pela acção do feixe electrónico incidente sobre a amostra. A determinação da análise quantitativa num sistema de EDS é feita por comparação da intensidade das riscas espectrais características de uma amostra com a intensidade das mesmas riscas, obtidas nas mesmas condições experimentais, mas em amostras de elementos puros (ou de composição bem conhecida). Incerteza dos resultados A resolução deste tipo de espectros depende da energia do fotão incidente e apresenta uma degradação relativamente elevada para as baixas energias, o que, por vezes, torna difícil identificar os elementos presentes na amostra, quando as riscas características estão muito próximas. 46

60 Ø17 Ø6 Ø10 Ø4 Figura Esquema de funcionamento do sistema Malvern. 12 bit A/D Analisador de NO x Analisador de O 2 Analisadores de CO Analisador de HC e CO 2 Entrada da amostra Condensador Sílica gel Algodão Gás de referência Gás zero Água Secador Filtro Água Exaustão Bomba de diafragma Figura 4.2 Representação esquemática do sistema de recolha e análise de gases. 745 Água Água Dimensões em mm Figura 4.3 Representação esquemática da sonda de amostragem dos gases da exaustão da fornalha. 47

61 5 Atomização da Glicerina 5.1 Introdução Este capítulo descreve a investigação das características dos sprays de glicerina em condições não reactivas. O estudo incluiu medições de distribuição do tamanho das gotas para várias condições de funcionamento dos atomizadores, em várias regiões dos sprays. As medidas quantificam a influência do AFR,, e T f na qualidade da atomização, para os dois atomizadores considerados. Para o presente capítulo, a literatura relevante é revista na subsecção 1.2.1, a fundamentação teórica está disponível na secção 2.2 e os detalhes relativos à secção de teste e técnicas de medida são apresentados nas secções 3.2 e 4.2, respectivamente. O presente capítulo encontra-se organizado da seguinte forma: a secção seguinte descreve as características da glicerina e as condições de operação dos atomizadores; a secção 5.3 apresenta e discute os resultados obtidos e a secção 0 fecha o capítulo com um sumário das principais conclusões. 5.2 Condições Experimentais Para este estudo foram utilizados os atomizadores descritos na secção 3.2 que, tal como referido anteriormente, apresentam, entre si, diferenças fundamentais no que diz respeito ao conceito de funcionamento. Na observação dos resultados deve ter-se em conta que se tratam de dois atomizadores consideravelmente diferentes e, como tal, os resultados podem não ser directamente comparáveis. É de notar também que o estudo da atomização, ao contrário do estudo da combustão, foi realizado na ausência de reacção química e sem secundário. Estes factores foram discutidos na subsecção e podem alterar as características dos sprays A Tabela 5.1 apresenta as propriedades físicas da glicerina utilizada neste estudo, enquanto a Tabela 5.2 resume as condições de operação dos atomizadores utilizadas na caracterização dos sprays. Tabela Propriedades físicas da glicerina. Propriedade Valor Massa Volúmica, ρ f, a 15 ºC (kg/m 3 ) 1268 Viscosidade Dinâmica, μ f, (N.s/m 2 ) a 23,3 ºC a 50 ºC a 80 ºC ,7 22,2 48

62 Tabela Sumário das condições de operação dos atomizadores. Atomizador (kg/h) (kg/h) AFR (ºC) Nº Nº Importa referir que os dois atomizadores utilizados neste estudo são de geometria não variável, o que torna impossível a avaliação separada dos efeitos do AFR e de na qualidade da atomização. Isto acontece porque um aumento no valor de AFR para constante ou um aumento de para AFR constante é sempre acompanhado por uma variação no valor de. 5.3 Resultados e Discussão Influência das posições radial e axial As Figuras 5.1 e 5.2 mostram a variação de SMD, ao longo do eixo central do spray, para várias distâncias em relação à saída do atomizador, para os atomizadores nº 1 e nº 2 respectivamente. Nestes ensaios foram utilizados três valores de AFR e um caudal de glicerina constante de 9,6 kg/h. Importa referir que para o atomizador nº 2 (não axi-simétrico) os dados foram obtidos para a posição de menor obscuração (Figura 3.3). Os resultados revelam que, para distâncias axiais iguais ou superiores a 50 mm, o SMD se mantém constante, não variando com o aumento da distância. Este resultado é, de alguma forma, inesperado pois, de acordo com a literatura [6], [7], [9] e [10], seria de esperar um aumento do SMD com a distância axial devido à evaporação e coalescência das gotas de menor dimensão. O presente comportamento do SMD pode, todavia ser explicado pela baixa volatilidade da glicerina, que impede que as gotas de menor dimensão se evaporem, sendo que os resultados sugerem também que o fenómeno de coalescência das gotas é aqui pouco relevante. Isto pode ser atribuído às trajectórias divergentes dos sprays que promovem o afastamento entre as gotas. A ausência de swirl é também relevante, uma vez que a rotação do escoamento pode promover o contacto entre gotas e, com isso, a coalescência. As Figuras 5.1 e 5.2 também permitem verificar que, para todos os casos considerados, a atomização se completa em mm, com excepção do atomizador nº 1 a operar com um AFR = 0,5. Neste caso, o SMD diminui entre mm, confirmando que o processo de atomização ainda está a decorrer. Neste caso particular, o processo de atomização termina em mm. 49

63 As Figuras 5.3 e 5.4 mostram medidas detalhadas da variação do SMD com a distância radial r para dois valores de AFR e duas distâncias em relação à saída do atomizador. Os resultados mostram um aumento gradual do SMD na direcção da periferia do spray, revelando que as gotas com maiores diâmetros se encontram na orla exterior do spray e as de menores diâmetros no centro. As figuras revelam que, para a mesma distância axial, o spray com AFR maior, para além de ter um SMD menor, é mais uniforme e que o aumento da distância axial tende a alargar os sprays. Este alargamento está relacionado com os fenómenos de transporte radial de massa e faz com que as gotas de maiores dimensões se movam na direcção exterior do spray, permanecendo, no entanto, o SMD constante no eixo central do spray. Constata-se, também, a partir das Figuras 5.3 e 5.4, uma razoável simetria para os dois sprays, em particular quando operam com valores de AFR maiores. Com o objectivo de aprofundar o estudo do efeito das posições axial e radial na estrutura dos sprays, as Figuras 5.5 e 5.6 apresentam, para os dois atomizadores e para uma distância axial, a distribuição volúmica dos diâmetros das gotas ao longo da direcção radial. Como os sprays obtidos evidenciaram uma simetria razoável, os resultados apresentados referem-se apenas a metade do perfil. As Figuras 5.5 e 5.6 fornecem também a variação dos parâmetros X e N da distribuição Rosin-Rammler. Verifica-se que a distribuição volúmica dos diâmetros das gotas tende a alargar com o aumento da distância radial. No centro do spray,, as gotas têm um diâmetro médio inferior e uma distribuição mais uniforme. Á medida que nos afastamos do centro, na direcção da periferia, o diâmetro médio das gotas aumenta e a sua distribuição torna-se mais alarga, com a presença de gotas de maiores dimensões. Estas conclusões são semelhantes para os dois atomizadores. Influência da caudal mássico de glicerina e de AFR Nos parágrafos subsequentes são avaliados os efeitos do caudal mássico de glicerina e de AFR na qualidade e características da atomização. Os resultados apresentados referem-se a medidas obtidas no centro do spray ( ), a uma distância de 50 mm em relação à saída do atomizador. Para o caso do atomizador nº 2, as medidas foram efectuadas para a posição de menor obscuração (Figura 3.3). A Figura 5.7 mostra, para o atomizador nº 1, o efeito de AFR no SMD para três caudais distintos de glicerina. Verifica-se que o SMD decresce com o AFR até valores próximos de 1, valor a partir do qual estabiliza. Observa-se também, que para AFR menores que 0,8 a qualidade da atomização se deteriora rapidamente. Para baixos valores de AFR, a energia cinética do ar de atomização é insuficiente para quebrar as forças viscosas e de tensão superficial que se opõem à desintegração do jacto. No entanto, à medida que o AFR aumenta, a energia cinética 50

64 do ar aumenta, tornando o processo de atomização significativamente mais eficiente. O nivelamento das curvas para além de um certo valor de AFR sugere que o ar adicional utilizado na atomização não tem contacto directo com o liquido e como tal não interage no processo de atomização. A Figura 5.8 mostra, para o atomizador nº 2, o efeito de AFR no SMD para três caudais distintos de glicerina. Verifica-se que o comportamento deste atomizador é semelhante ao atomizador nº 1. Inicialmente, o processo de atomização melhora consideravelmente até valores de AFR próximos de 1, acabando por estabilizar para valores de AFR superiores. No entanto, é de notar, que a utilização do atomizador nº 2 permite, para as mesmas condições de operação, a obtenção de gotas com diâmetros médios menores. Para todos os valores de AFR e caudais mássicos considerados, o atomizador nº 1 produz gotas no intervalo de 20 a 65 μm, enquanto o atomizador nº 2 origina gotas compreendidas entre 12 e 22 μm. A Figura 5.7 também permite observar, para o atomizador nº 1 a variação do SMD com o caudal mássico de combustível. Os resultados mostram que, para AFR constante, o SMD diminui com o aumento do caudal mássico. Esta diminuição é, no entanto, atenuada para valores de AFR maiores que 1. Estes resultados são consistentes com os obtidos por Costa [37], mas parecem contradizer as conclusões de Lorenzetto e Lefevbre [15] que observaram um aumento do SMD com o caudal mássico. No entanto, Lorenzetto e Lefevbre [15], usaram atomizadores com orifícios de descarga variáveis tanto para o ar como para o combustível, conseguindo manter os valores de AFR e constantes para os vários caudais considerados. No presente trabalho e no de Costa [37], pelo facto de terem sido usados atomizadores não variáveis, isso não foi possível. Como tal, qualquer aumento do caudal de combustível com um AFR constante tem como consequência um aumento do valor de. Deste modo, a diminuição do SMD com o caudal mássico observada na Figura 5.7 é causada pelo aumento do que se sobrepõe ao efeito negativo do aumento isolado do caudal mássico na qualidade da atomização. Para o atomizador nº 2, (ver Figura 5.8) verifica-se que a qualidade da atomização não é significativamente influenciada pelo caudal mássico de combustível. Este resultado, em contraste com o atomizador nº 1, pode ser explicado pelas elevadas velocidades do ar de atomização atingidas neste atomizador. Devido à sua tipologia e à pequena dimensão dos orifícios de saída do ar, o atomizador nº 2, apresenta valores de muito elevados, mesmo para valores de AFR e caudais mássicos de glicerina baixos. Este efeito associado ao valor de sobrepõese a todos os outros, o que torna a qualidade da atomização independente do caudal mássico. As Figuras 5.9 e 5.10 apresentam, para os dois atomizadores, a influência do AFR na distribuição volúmica dos diâmetros das gotas para uma posição radial e axial constante e um caudal mássico de 9.6 kg/h. É possível verificar que à medida que se aumenta o AFR os sprays passam a ser formados por gotas de menores dimensões e a ter uma distribuição mais 51

65 homogénea. No entanto, esta mudança é mais significativa para valores de AFR menores que 1,5 para o atomizador nº 1 e 0,8 para o atomizador nº 2. Comparações quantitativas relativamente a outros estudos estão limitadas pelas diferenças no combustível utilizado, tipologia dos atomizadores e técnicas de medidas. De qualquer modo os resultados obtidos são consistentes com os obtidos por outros autores, nomeadamente [9], [15] e [37]. Influência do Atomizador A Figura 5.11 apresenta dois perfis radiais de SMD obtidos com caudal mássico de glicerina e AFR constantes para o atomizador nº 2. A figura revela, tal como esperado, a não axisimetria deste atomizador e a existência de dois perfis distintos consoante a posição relativa do spary. Verifica-se que, na posição de menor obscuração, o perfil de SMD é mais uniforme e o spray mais largo. Pelo contrário, para a posição de maior obscuração, o perfil varia mais acentuadamente e é consideravelmente mais estreito. Para o perfil mais estreito os dados obtidos também revelaram valores de obscuração substancialmente superiores, facto que é compreensível, uma vez que o volume de spray atravessado pelo laser nesta posição é consideravelmente maior. Relativamente ao atomizador nº 1, as medidas efectuadas revelaram que o spray obtido é, de facto, axi-simétrico, como tal, os resultados apresentados na Figura 5.3 podem considerar-se representativos de todo o perfil. Outra diferença verificada entre os dois atomizadores, reside na influência do caudal de combustível na qualidade da atomização. Para o atomizador nº 1, as Figuras 5.7 e 5.8 revelaram, uma melhoria do SMD com o aumento do caudal, mas para o atomizador nº 2 verificou-se que o SMD é independente do caudal de combustível. Este comportamento está relacionado com as velocidades de ar elevadas atingidas no atomizador nº 2 que originam valores de muito superiores. No entanto, este facto faz com que, para o atomizador nº 2, não seja possível atingir valores de AFR tão elevados, uma vez que a maior restrição à passagem do ar, responsável pelas maiores velocidades, exige pressões do ar de atomização que ultrapassam as pressões de projecto do atomizador. Comparando os dois atomizadores, pode-se dizer que ambos apresentam uma melhoria da atomização até um dado valor de AFR, a partir do qual as melhorias alcançadas na qualidade da atomização são apenas marginais. No entanto, de um modo geral, os sprays obtidos pelo atomizador nº 2, atendendo aos valores de superiores, apresentam SMD menores. 52

66 5.4 Sumário Neste capítulo foi investigada o desempenho de dois atomizadores assistidos a ar, alimentados a glicerina, para uma vasta gama de valores de AFR e caudais mássicos. Os resultados incluem medidas do diâmetro médio das gotas e da distribuição volúmica para várias condições de funcionamento dos atomizadores, em várias regiões dos sprays. As principais conclusões deste estudo são: I. Para os dois atomizadores, verifica-se que o processo de atomização é concluído para distâncias axiais menores que 50 mm. II. Para todos os sprays, as gotas de maiores dimensões encontram-se na periferia sprays e as de menores dimensões no centro dos sprays. Esta tendência é, no entanto, atenuada para valores de AFR e distâncias axiais superiores. III. Para os dois atomizadores, o SMD mantém-se inalterado com a distância axial, revelando a baixa volatilidade da glicerina e a fraca coalescência das gotas. IV. A qualidade da atomização é melhorada significativamente com o AFR até dado um valor, após o qual qualquer incremento em AFR apresenta apenas melhorias marginais. O valor de AFR para o qual se observa o nivelamento da curva do SMD está situado entre 0,8 e 1, em ambos os atomizadores. V. Para o atomizador nº 1, o aumento do caudal de glicerina com um AFR constante melhora a qualidade da atomização, devido ao aumento do valor de. Para o atomizador nº 2, verifica-se que o aumento do caudal de glicerina não tem impacto na qualidade da atomização, uma vez que as velocidades do ar atingidas são muito elevadas independentemente da condição de operação do atomizador. VI. O atomizador nº 1 forma um spray axi-simétrico, opera com valores de AFR entre 0,5 e 2 e apresenta diâmetros médios entre 20 a 65 μm. O atomizador nº 2 é não axisimétrico, formando uma face larga e uma face estreia. Devido às elevadas pressões de ar utilizadas, o atomizador nº 2, opera com valores de AFR menores, entre 0,5 e 1, originando sprays com menores valores de SMD. O atomizador nº 2 é insensível às variações de caudal de combustível. 53

67 SMD (μm) SMD (μm) AFR 0,5 1 2 r = Distância Axial z (mm) Figura 5.1 Efeito da distância axial no SMD para três valores de AFR. Atomizador nº 1, m f = 9,6 kg/h, T f = 87 ºC AFR 0,5 0,8 1 r = Distância Axial z (mm) Figura Efeito da distância axial no SMD para três valores de AFR. Atomizador nº 2, m f = 9,6 kg/h, T f = 87 ºC. 54

68 SMD (μm) SMD (μm) SMD (μm) SMD (μm) AFR 1, z= 50 mm z= 70 mm Distância Radial r (mm) Figura 5.3 Variação radial do SMD para dois valores de AFR e duas distâncias z. Atomizador nº 1, m f = 9,6 kg/h. AFR 0,5 0, z= 50 mm z= 70 mm Distância Radial r (mm) Figura Variação radial do SMD para dois valores de AFR e duas distâncias z. Atomizador nº 2, m f = 9,6 kg/h. 55

69 dv/dd (vol. %μm) dv/dd (vol. %μm) 2,5 2 1,5 1 z = 70 mm ( X ; N ) r (33,25 ; 1,24), 0 (38,66 ; 2,09), 10 (62,28 ; 1,57), 20 (46,72 ; 1,06), 30 (72,17 ; 1,46), 40 0, Diametro das Gotas (μm) Figura 5.5 Variação radial da distribuição volúmica do diâmetro das gotas para várias posições radiais. Atomizador nº 1, AFR = 1,5, m f = 9,6 kg/h, z = 70 mm. 2,5 2 1,5 1 z = 70 mm ( X ; N ) r (mm) (31,54 ; 1,66), 0 (37,20 ; 1,63), 10 (40,47 ; 1,68), 20 (48,34 ; 2,20), 30 (56,98 ; 2,02), 40 0, Diametro das Gotas (μm) Figura Variação radial da distribuição volúmica do diâmetro das gotas para várias posições radiais. Atomizador nº 2, AFR = 0,5, m f = 9,6 kg/h, z = 70 mm. 56

70 SMD (μm) SMD (μm) 70 r = 0, z = 50 mm Caudal (Kg/h) , ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 AFR Figura 5.7 Efeito do AFR no SMD para diferentes valores do caudal de glicerina. Atomizador nº r = 0, z = 50 mm 25 Caudal (Kg/h) , ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 AFR Figura Efeito do AFR no SMD para diferentes valores do caudal de glicerina. Atomizador nº 2. 57

71 dv/dd (vol. %μm) dv/dd (vol. %μm) 3 2,5 r = 0, z = 50 mm ( X ; N ) AFR (65,10 ; 1,66), 0,5 2 1,5 1 (41,91 ; 1,57), 0,8 (35,34 ; 1,48), 1,0 (30,28 ; 1,26), 1,5 (29,27 ; 1,23), 2,0 0, Diametro das Gotas (μm) Figura 5.9 Variação da distribuição volúmica do diâmetro das gotas para vários valores de AFR. Atomizador nº 1, m f = 9,6 kg/h, z = 50 mm. 3 2,5 2 1,5 r = 0, z = 50 mm ( X ; N ) AFR (36,61 ; 1,57), 0,5 (26,60 ; 1,36), 0,8 (23,67 ; 1,38), 1,0 1 0, Diametro das Gotas (μm) Figura Variação da distribuição volúmica do diâmetro das gotas para vários valores de AFR. Atomizador nº 2, m f = 9,6 kg/h, z = 50 mm. 58

72 SMD (μm) Laser Laser Z= 50 mm Distância Radial r (mm) Figura Variação radial do SMD para as duas faces do atomizador nº 2. AFR = 0,5, mf = 9,6 kg/h e z = 50 mm. 59

73 6 Combustão da Glicerina 6.1 Introdução Este capítulo descreve os testes de queima de glicerina conduzidos na fornalha laboratorial existente no presente laboratório. Para a queima foram utilizados os sprays de glicerina estudados no capítulo 5 em co-combustão com gás natural e hidrogénio. Os resultados obtidos incluem medidas de concentração de poluentes nos gases de escape e recolha de partículas sólidas do processo de combustão. Estes permitem quantificar o efeito da qualidade da atomização, excesso de ar e grau de incorporação de glicerina na no processo de combustão. A literatura relevante para este capítulo é discutida nas secções e 1.2.3, a fundamentação teórica está disponível na secção 2.3 e os detalhes relativos à fornalha laboratorial e técnicas de medida usadas são apresentados, nas secções 3.3 e 4.3, respectivamente. No presente capítulo, a secção 6.2 descreve as características da glicerina e as condições experimentais utilizadas, a secção 6.3 apresenta discute os resultados obtidos e, por último, a secção 6.4 fecha o capítulo com um sumário das principais conclusões retiradas. 6.2 Condições Experimentais No decorrer dos testes foram tomados cuidados especiais para manter a simetria da chama na fornalha. Para todos os ensaios, foi também efectuado um controlo contínuo dos gases de exaustão, da pressão da fornalha e dos sistemas de alimentação de combustíveis e ar, de modo a manter as condições de ensaio constantes. Para a combustão da glicerina, foi utilizado um processo de co-combustão com gás natural e hidrogénio, com percentagens de incorporação de cada combustível variáveis. As propriedades de cada combustível são descritas nas Tabelas 6.1 a 6.3. Tabela 6.1 Propriedades químicas do hidrogénio. Propriedade Poder Calorífico (MJ/kg) Inferior Superior Limites de flamabilidade em ar (ϕ) Superior Inferior Valor 119,95 141,78 0,12 6,1 60

74 Tabela 6.2 Propriedades químicas do gás natural. Propriedade Composição (mássica %) Carbono Hidrogénio Oxigénio Azoto Valor 75,72 24,03 0,09 0,16 Poder Calorífico (MJ/m 3 ) Inferior Superior 38,78 42,94 Tabela 6.3 Propriedades químicas da glicerina. Propriedade Composição (% mássica) Glicerol MONG Humidade Cinzas Metanol Análise Elementar (% mássica, base seca, sem cinzas) Carbono Hidrogénio Oxigénio (dif.) Azoto Enxofre Valor 84,05 2,13 10,31 3,50 0,01 32,5 8,8 58,7 0 0 Composição das Cinzas (% mássica) Cloro Sódio Potássio Fósforo Cálcio Silício Outros 63,0 34,5 0,99 0,33 0,11 0,10 0,97 Poder Calorífico (MJ/kg) Inferior Superior 12,91 14,81 61

75 A Tabela 6.4 apresenta as condições de operação utilizadas para o estudo da combustão da glicerina. Foi utilizada uma carga térmica constante de 100 kw e realizados 5 séries de teste. As séries I e III analisaram, para os dois atomizadores, a influência do processo de atomização, enquanto as séries II e IV avaliaram a influência do excesso de ar. A série de testes V, realizado apenas para o atomizador nº 2, permitiu avaliar a influência do grau de incorporação de glicerina no processo de combustão. Para algumas chamas, foi também avaliada a formação de resíduos no interior da fornalha. Como termo de comparação foram estudadas duas chamas base, uma composta apenas por gás natural (GN) e outra por gás natural enriquecido com hidrogénio (H 2 ). As características das chamas base são apresentadas na Tabela 6.5. Tabela 6.4 Condições de operação na fornalha para a combustão da glicerina. Parâmetros de Operação Atomizador Nº 1 Atomizador Nº 2 Séries de Teste I II III IV V O 2 na exaustão (%) 5 3,2 5,9 5 2,1 6,0 5 Hidrogénio (KW) Gás natural (KW) Glicerina potência (KW) caudal mássico (kg/h) 6-9,6 6-9,6 6-9,6 6-9,6 6 14,4 Ar de atomização caudal mássico (kg/h) 3-19,2 9-14,4 3-9,6 3-4,8 3 7,2 temperatura (º C) Spray AFR ( = m a /m f ) 0,5-2 1,5 0,5-1 0,5 0,5 Tabela 6.5 Chamas base utilizadas. Potência total (kw) GN (kw) H 2 (kw)

76 6.3 Resultados e Discussão Esta secção reporta os resultados obtidos para a combustão da glicerina. São quantificadas, para as várias séries de teste, as emissões de CO, HC e NO X. Para algumas chamas em particular também foram medidas as emissões de acroleína e a formação de depósitos Estrutura Qualitativa das Presentes Chamas A Figura 6.1 mostra, qualitativamente, a estrutura física das presentes chamas na região próxima do queimador. A estrutura apresentada foi construída através da observação visual das chamas durante os testes (ver Imagem 6.1) e essencialmente da informação disponível na literatura [22]. Neste tipo de fornalha, devido à geometria do queimador, formam-se tipicamente duas zonas de recirculação. Uma zona de recirculação interna (ZRI), gerada pelo swirl e uma zona de recirculação externa (ZRE) causada pela separação do escoamento à saída do quarl. Tal como referido por Feikema et al. [21], a ZRI desempenha um papel crucial na estabilização do processo de combustão. Uma chama, em função da quantidade de movimento do spray, pode ter uma penetração maior ou menor na ZRI. Se a intensidade da recirculação for suficiente para suportar a quantidade de movimento do jacto, a chama é estável e obtêm-se boas condições de combustão. Pelo contrário se a intensidade do swirl não for suficiente, a chama atravessa a ZRI, instabiliza e qualidade da combustão degrada-se [23] Efeito da Qualidade da Atomização Como já foi referido, a qualidade da atomização, estudada no Capítulo 5, tem um papel fundamental nas características dos processos de combustão. As características dos sprays e consequentemente, das chamas, estão directamente relacionadas ao efeito conjunto do AFR, distribuição volúmica das gotas e quantidade de movimento do jacto. No entanto, para os atomizadores usados neste estudo, não é possível isolar o efeito do diâmetro médio das gotas do efeito da quantidade de movimento. Para estes atomizadores, o aumento da quantidade de movimento do jacto, para um caudal de combustível constante, resulta sempre numa diminuição do diâmetro médio das gotas. Assim, na interpretação dos resultados, deve ter-se em conta que o aumento do AFR do spray, para além de diminuir o tamanho médio das gotas aumenta, a quantidade de movimento do jacto. As Figuras 6.2 a 6.4 apresentam, para os dois atomizadores e um excesso de ar constante, as emissões de CO, HC e NO X em função de AFR. Os resultados apresentados nestas figuras foram obtidos para dois níveis de incorporação de glicerina na mistura do 63

77 combustível, um com 22% e outro com 34% em termos energéticos. Como termo de comparação, as Figuras 6.2 a 6.4 incluem, as emissões de poluentes para as chamas base, apenas com gás natural e hidrogénio, descritas na Tabela 6.5. As Figuras 6.2 e 6.3 mostram um aumento substancial das emissões de CO e HC quando o AFR diminui de 0,8 para 0,5, para os dois atomizadores. Com a diminuição do valor de AFR, aumenta o tamanho médio das gotas, diminui a quantidade de movimento do spray e diminui a quantidade de ar na zona central da chama. Como consequência da diminuição do ar de atomização, as chamas com menor AFR possuem gotas de maiores dimensões que penetram mais profundamente na ZRI. Para além deste facto, pode antecipar-se que as chamas com menor AFR, devido à menor quantidade de movimento inicial, arrastam menos ar secundário para a zona próxima do queimador, onde a chama se estabelece. Isto piora as características aerodinâmicas da chama e diminui consideravelmente a taxa de mistura entre o combustível e o oxidante. Assim, a queima de chamas com menor AFR é menos eficiente, devido ao efeito combinado da menor disponibilidade de O 2 nos estágios iniciais do processo, do aumento do diâmetro médio das gotas e do menor arrastamento de ar secundário. Importa referir que o atomizador nº 2, devido ao menor diâmetro das suas gotas, origina sistematicamente emissões de CO e HC mais baixas. Para valores de AFR maiores que 0,8, as emissões de CO continuam a baixar, porém mais lentamente, enquanto as emissões de HC desaparecem por completo. Este comportamento, por ser semelhante ao observado para o diâmetro médio das gotas (ver Figuras 5.7 e 5.8) realça a importância do tamanho das gotas na qualidade da combustão. A inexistência de emissões de HC, comprova que o tamanho médio das gotas e o seu tempo de evaporação diminuem, fazendo com que a sua combustão ocorra essencialmente na ZRI. Apenas para o atomizador nº 1 e para um AFR igual a 2, as Figuras 6.2 e 6.3 revelam um novo aumento das emissões de HC e CO. Como foi visto no Capitulo 5 a variação do diâmetro médio das gotas quando AFR aumenta de 1,5 para 2 é marginal, aumentando apenas a quantidade de movimento do jacto. Este aumento da quantidade de movimento faz com que gotas do spray com AFR igual 2, apesar de ligeiramente menores, penetrem mais profundamente na ZRI e cheguem mesmo a atravessá-la completamente. As gotas que atravessam a ZRI acabam por ter um tempo de residência menor na zona próxima do queimador, o que se traduz numa deterioração do processo de combustão e num aumento das emissões de CO e HC. A comparação com as chamas base permite verificar que a incorporação de glicerina produz, em geral, uma degradação significativa das condições de combustão, tipificada através do aumento das emissões de CO e HC. 64

78 A formação de NO X, descrita na secção 2.3.2, envolve diversos mecanismos. Para o caso da glicerina, por esta não ter azoto na sua composição, deve ignorar-se o mecanismo de formação do combustível. Adicionalmente, outros estudos revelam que para chamas de líquidos, particularmente em misturas pobres, o mecanismo imediato ou de Fenimore, representa menos de 5 % das emissões totais de NO X [40]. Estes factos permitem antecipar que as emissões de NO X obtidas para as chamas de glicerina se devem, quase exclusivamente, ao mecanismo térmico ou de Zeldovich. A Figura 6.4 mostra, para os dois atomizadores e um excesso de ar constante, as emissões de NO X em função de AFR. Verifica-se que as emissões de NO X aumentam com o AFR até valores próximos de 1,5. Com o aumento do AFR aumenta a quantidade de ar na zona central da chama e a intensidade do processo de combustão na zona próxima do queimador. Isto deve provocar um aumento da temperatura da chama, promovendo a formação de NO pelo mecanismo térmico. O aumento do AFR e da quantidade de movimento do jacto, promove também um maior arrasto de ar secundário e com isso, um aumento da recirculação e do tempo de residência das gotas. O aumento do tempo de residência promove também a formação de NO X. Apenas para o atomizador nº 1, verifica-se uma nova diminuição das emissões NO X para valores de AFR superiores a 1,5. Apesar deste aumento de AFR não variar significativamente o diâmetro médio das gotas (ver Figura 5.7), o aumento da quantidade de movimento produz gradualmente gotas com maior velocidade que são capazes de atravessar a ZRI. Ao atravessarem a ZRI o tempo de residência das gotas e a temperatura na região próxima do queimador diminuem e, consequentemente, as emissões de NO X também diminuem. Em comparação com as chamas base de gás natural e de gás natural com hidrogénio, as chamas de glicerina produzem sistematicamente emissões de NO X mais baixas. Este facto é atribuído à expectável diminuição da temperatura da chama de misturas que contenham glicerina. Apesar de a temperatura adiabática de chama da glicerina ser de 2020 K, semelhante à dos outros combustíveis, a presença de água na sua composição pode ser causadora de uma redução da temperatura na zona próxima do queimador, inibindo a formação de NO pelo mecanismo térmico Efeito do Excesso de Ar As Figuras 6.5 a 6.7 apresentam, para os dois atomizadores, as emissões de CO, HC e NO X em função do excesso de ar. Foram usados dois valores de incorporação de glicerina na mistura de combustível, 22% e 34% em termos de energia. O atomizador nº 1 operou com um AFR igual a 1,5 e o atomizador com um AFR igual a 0,5. Apesar da diferença no valor do AFR, ambos os sprays apresentam um SMD característico de cerca de 20 μm (ver Figuras 5.7 e 5.8). 65

79 As Figuras 6.5 e 6.6 mostram um comportamento muito diferente para os dois atomizadores em função do excesso de ar. Para o atomizador nº 1 a operar com baixo excesso de ar, observam-se elevadas emissões de CO e HC. Estas emissões são provavelmente causadas pela falta de O 2 na zona central do spray. Esta zona é rica e, como tal, apresenta uma baixa taxa de conversão de CO para CO 2. Á medida que se aumenta o excesso de ar, aumentase o arrastamento de ar secundário para o interior da chama e observa-se uma redução muito significativa das emissões de CO e HC, em particular, quando os valores de O 2 na exaustão da fornalha passam de 3% para 4,5%. Com o aumento do ar secundário, aumenta a disponibilidade de O 2 na ZRI, o que torna a combustão, na zona próxima do queimador, mais intensa. As zonas ricas, responsáveis pela formação de CO e HC, começam a desaparecer e possivelmente a temperatura da chama a aumentar. A conjugação destes fenómenos leva a uma melhor vaporização do combustível e a um aumento substancialmente a taxa de conversão de CO para CO 2. Para valores de O 2 na exaustão superiores a 5%, verifica-se um nivelamento das emissões de CO e HC, resultante da conjugação de dois fenómenos opostos. Por um lado, o aumento de ar secundário, melhora a disponibilidade de O 2 nas zonas ricas da chama perto do queimador o que leva à melhoria das condições de combustão e, consequente, diminuição das emissões. Por outro lado, o aumento excessivo do ar secundário, leva à diminuição da temperatura da chama, prejudicando a combustão e taxa de conversão de CO para CO 2. Estes dois fenómenos parecem equilibrar-se para estes valores de excesso de ar o que leva à estabilização das emissões de CO e HC. O atomizador nº 2 apresenta um comportamento substancialmente diferente. Para baixos valores de excesso de ar, as emissões de CO são comparativamente menores, mas à medida que o excesso de ar aumenta, as emissões diminuem de forma pouco significativa, verificando-se mesmo que são superiores às do atomizador nº 1 para excessos de ar elevados. De facto, os dois atomizadores apresentam características de combustão muito diferentes. O atomizador nº 1 é circular e muito sensível à variação do excesso de ar. Com este atomizador, para baixos valores de excesso de ar, existe pouca penetração de ar secundário na zona central do spray, verificando-se a formação de zonas ricas prejudiciais à combustão. Estas zonas ardem deficientemente e dão origem a elevadas emissões de CO e HC. À medida que se aumenta o excesso de ar, diminui a formação de zona ricas e, consequentemente, a formação de CO e HC. O atomizador nº 2 funciona segundo um princípio totalmente diferente. Apresenta um spray alongado, com menos volume interior e uma maior área exposição ao ar secundário. O menor volume interior conjugado com a maior área de exposição permite, mesmo para valores de excesso de ar reduzidos, uma maior penetração do ar secundário no interior da chama. Isto evita a formação de zonas muito ricas e, consequentemente, reduz as emissões de CO e HC. No entanto este spray, por ser muito alongado, forma zonas muito exteriores ao centro do jacto. As 66

80 zonas exteriores do spray, pelo facto de possuírem um ângulo de abertura muito grande e estarem diametralmente muito afastadas, acabam por não penetrar na ZRI queimando em zonas exteriores. À medida que se aumenta o ar secundário, apesar de se verificarem melhorias nas condições no centro do spray, estas zonas exteriores mantêm as suas características de combustão, ou seja, ardem foram da ZRI, nunca sendo oxigenadas, suficientemente para que a sua combustão melhore e as emissões de CO e HC diminuam. Deste modo explica-se que o atomizador nº 2, quando comparado com o atomizador nº 1, tenha emissões de CO e HC inferiores para menores excesso de ar, e superiores para excessos de ar mais elevados. De facto, as emissões do atomizador nº 2 são relativamente independentes do nível de excesso de ar usado. Este tipo de comportamento permite concluir que nenhum dos atomizadores se superioriza ao outro. De facto, se tivermos em conta apenas as emissões de CO e HC, para excessos de ar reduzidos, o atomizador nº 2 apresenta um melhor desempenho, mas para excessos de ar elevados o desempenho do atomizador nº 1 é superior. A Figura 6.7 apresenta, para os dois atomizadores, a influência do excesso de ar nas emissões de NO X, para um valor de AFR constante. Como o combustível utilizado, glicerina, não possui azoto na sua composição, não existe o perigo de ao, elevar o excesso de ar, se promover a formação de NO X através do mecanismo do combustível. Deste modo, explica-se a variação do NO X com o excesso de ar, apenas através do mecanismo térmico ou de Zeldovich. Para o atomizador nº 1 observa-se um aumento das emissões de NO X com o aumento do excesso de ar até valores de O 2 nos produtos de combustão próximos de 5%. O aumento do excesso de ar melhora as condições de mistura, a vaporização das gotas e aumenta temperatura da chama. Este aumento da temperatura promove a formação de NO através do mecanismo térmico. Aumentar o O 2 acima de 5 %, torna a combustão demasiado pobre e baixa a temperatura da chama, levando a uma diminuição das emissões de NO X. O atomizador nº 2 apresenta um comportamento substancialmente diferente. As emissões de NO X são consistentemente mais baixas, evidenciando temperaturas de chama menores. Este abaixamento da temperatura da chama, pode ser explicado pela maior dispersão do spray que diminui a taxa de libertação de calor local na região próxima do queimador, onde se atingem as temperaturas mais altas e ocorre a formação do NO. As emissões de NO X para o atomizador nº 2 são também insensíveis às variações de excesso de ar. Este comportamento comprova que o spray é pouco afectado pelos fenómenos de arrastamento do ar secundário e que as condições de mistura se mantêm sensivelmente inalteradas, tornando a temperatura da chama e as emissões de NO X constantes. Os resultados desta secção revelam que durante o processo de combustão a estrutura e 67

81 forma do spray desempenham um papel fundamental na emissão de poluentes, não podendo ser ignoradas. Os efeitos da morfologia dos sprays devem, por isso, ser contabilizados em conjunto com o efeito do diâmetro médio das gotas e da quantidade de movimento do spray Efeito da Incorporação de Glicerina. Com o objectivo de analisar o efeito da incorporação de glicerina no processo de combustão foi realizado, apenas para o atomizador nº 2, um teste com diferentes graus de incorporação de glicerina. Para estes testes, foi escolhido usar o atomizador nº2 com AFR igual a 0,5 por ser aquele que garante uma maior estabilidade de chama. A Figura 6.10 apresenta as emissões de CO, HC e NO X em função do grau de incorporação de glicerina, desde 22% até 52% em termos de energia. Verifica-se que aumentar o grau de incorporação de 22% para 45% resulta numa diminuição das emissões de CO e HC. Como já foi referido, para os atomizadores utilizados neste estudo, um aumento do caudal de combustível para um AFR constante implica também um aumento da quantidade de movimento do jacto. Constata-se assim, que a diminuição das emissões de CO e HC com o aumento do grau de incorporação de glicerina é resultado da melhoria das condições de combustão, causada pelo aumento da quantidade de movimento do jacto. O jacto com maior quantidade de movimento, tem um maior arrastamento de ar secundário e com isso, melhores condições de mistura. De facto é possível verificar que para este atomizador o efeito da quantidade de movimento se sobrepõe ao efeito da carga térmica de glicerina. No entanto, aumentar a incorporação de glicerina para 52% volta a causar um aumento das emissões de CO e HC. Para este caso, apesar de haver um aumento da quantidade de movimento do jacto, a carga térmica de glicerina é tão elevada que as condições de combustão se degradam irremediavelmente. O caudal de glicerina é tão elevado que não existem condições para haver combustão completa, resultando num aumento das emissões de CO e HC Depósitos Durante o processo de combustão da glicerina verificou-se a formação de depósitos, tanto na zona de saída queimador como nas paredes da fornalha. A Imagem 6.2 mostra o queimador após uma utilização de 3 horas com glicerina. Observa-se a formação de um sedimento de cor negra, com alguma oxidação, tanto extermidade do atomizador como nas pás do queimador. Este tem um aspecto denso e uma consistência granulosa com alguma humidade. A sua remoção, porém, devido à elevada humidade, não apresenta grandes dificuldades. Uma amostra deste depósito foi retirada para análise num microscópio electrónico de varrimento munido de num sistema de espectroscopia de energia dispersiva (EDS). A Imagem 68

82 6.4 e a Figura 6.8 apresentam imagens ampliadas dos depósitos e a sua análise elementar, respectivamente. As ampliações da amostra confirmam o aspecto granuloso e evidenciam a presença de estruturas sólidas, bem definidas e de elevada profundidade. A análise elementar revela a presença de C, Cl, Na, O, Fe e ainda pequenas quantidades de K, Si, Ca e Al, o que é consistente com a análise das cinzas da glicerina apresentada na Tabela 6.3. A existência de C nos depósitos do queimador confirma a presença de algum combustível não queimado. Durante a formação do spray, algumas gotas podem não ter quantidade de movimento suficiente para penetrar na ZRI e acabam por ter uma combustão deficiente na zona próxima do queimador. A presença de O e, particularmente, Fe sugere a existência de corrosão, visível a olho nu, aquando da limpeza do queimador. O Cl detectado, também é um elemento seriamente corrosivo e prejudicial à operação da fornalha. Para além disso, o Cl favorece a formação de depósitos, uma vez que a sua presença aumenta a densidade dos mesmos, tornando mais difícil a sua remoção. A presença de Na pode resultar na formação de NaCl que promove a captura de K dos silicatos, formando KCl. O NaCl e o KCl podem, posteriormente, formar sulfatos de baixo ponto de fusão, aumentando o grau de adesão dos depósitos. A Imagem 6.3 mostra a janela de observação da fornalha após uma utilização de 3 horas com chamas de glicerina. Estes depósitos apresentam-se como poeiras de cor branca, sem humidade e de difícil remoção. A Imagem 6.5 e a Figura 6.9 apresentam ampliações destes depósitos formados na janela e a sua análise elementar, respectivamente. As ampliações do microscópio confirmam o aspecto mais poroso destes depósitos, com a presença de estruturas mais arredondadas e de menor profundidade. A análise elementar mostra a presença de Cl, Na, O e K. A ausência de C nestes depósitos confirma a combustão total do combustível. Em comparação com o queimador, a presença de Cl e Na nestes depósitos é superior, sendo previsível a existência de maiores problemas relacionados com a corrosão. A existência de K conjugada com Cl é também prejudicial, ao baixar consideravelmente a temperatura de fusão dos depósitos, aumentando a sua aderência. Estes factos, conjugados com a ausência de humidade explicam a maior dificuldade de remoção destes depósitos, em comparação com os encontrados no queimador Acroleína Para as várias chama analisadas, não foram detectadas quaisquer emissões de acroleína. As boas condições de combustão e os tempos de residência alcançados permitiram a fragmentação da acroleína em hidrocarbonetos de menor dimensão e a sua oxidação completa. No Anexo A apresenta-se um cromatograma típico obtido no presente estudo. 69

83 6.4 Sumário No seguimento da extensa caracterização dos sprays em condições isotérmicas (Capítulo 5), foram efectuadas medidas detalhadas para a combustão da glicerina numa fornalha laboratorial. Os resultados obtidos incluem emissões de poluentes para diversas condições de operação da fornalha que permitem quantificar os efeitos da qualidade da atomização, do excesso de ar e do grau de incorporação de glicerina naquelas emissões. Adicionalmente foram recolhidas amostras de depósitos formados do decurso do processo de combustão, os quais foram posteriormente analisados As principais conclusões deste estudo são: I. Para os dois atomizadores estudados, o aumento inicial do AFR produz sprays com gotas mais pequenas e maior quantidade de movimento o que permite maior arrastamento de O 2 para a zona próxima do queimador. Este comportamento melhora o processo de vaporização da combustível, reduzindo as emissões de CO e HC, mas também aumenta a temperatura da chama promovendo a formação de NO via mecanismo térmico. Para o atomizador nº 1, em particular, aumentar o AFR acima de 1,5 produz sprays com uma quantidade de movimento tal, que ultrapassam a ZRI. Este fenómeno reduz o tempo de residência e baixa a temperatura da chama, baixando as emissões de NO X, mas também origina que algumas gotas atravessem completamente a ZRI. Estas gotas têm um tempo de residência menor na zona próxima do queimador, queimando em condições mais deficientes, o que leva ao aumento das emissões de CO e HC. II. O excesso de ar afecta as emissões consoante o atomizador. Para o atomizador nº 1 a combustão é severamente influenciada pelo excesso de ar. Para este atomizador, à medida que se aumenta o excesso de ar, aumenta da disponibilidade de O 2 nas zonas ricas da chama e, consequentemente, a taxa de conversão de CO para CO 2, reduzindo as emissões de CO. Pelo contrário, o atomizador nº 2, revela-se pouco sensível às variações do excesso de ar. Por terem uma área de exposição maior, os sprays produzidos por este atomizador, permitem um maior arrastamento de O 2 para o seu interior e, mesmo com excessos de ar baixos, apresentam baixas emissões de CO e HC. No entanto, por terem um ângulo de abertura maior, as partes exteriores destes sprays ardem fora da ZRI com baixa eficiência e elevadas emissões. Mesmo com o aumento do excesso de ar, estas áreas continuam pouco oxigenadas e, por isso, este atomizador apresenta, comparativamente ao atomizador nº 1, emissões de CO e HC superiores para excessos de ar elevados. Relativamente à formação de NO, verifica-se que esta é dominada pelo mecanismo térmico. Para o atomizador nº 1, o aumento inicial do excesso de ar eleva a temperatura da chama e as emissões de NO X. No entanto, para excessos de ar demasiados elevados verifica se uma diminuição da temperatura da chama e, consequentemente, das emissões de NO X. O 70

84 atomizador nº 2, devido à carga térmica mais dispersa na zona próxima do queimador, isto é, maior zona de reacção, apresenta temperaturas de chamas e emissões de NO X menores. As emissões de NO X do atomizador nº 2 são também insensíveis ao excesso de ar. III. À medida que o grau de incorporação de glicerina aumenta, as emissões de CO e HC diminuem. Este comportamento demonstra que o efeito da quantidade de movimento do jacto se sobrepõe ao efeito da carga térmica, melhorando a combustão. No entanto, incorporações superiores a 50 % de glicerina originam uma deterioração do processo de combustão, causada pelo aumento excessivo da carga térmica de glicerina. IV. Os depósitos recolhidos no queimador e paredes da fornalha revelaram a existência de grandes quantidades de Sódio, Potássio e Cloro, causadores de corrosão e que podem ser muito prejudiciais à operação a longo prazo da fornalha, Os depósitos recolhidos no queimador revelaram ainda a presença de óxidos de ferro e algum carbono. V. Nos que diz respeito à acroleína, não foram detectadas, para nenhuma das chamas estudadas, quaisquer emissões. 71

85 Gás natural + hidrogénio Gás natural + hidrogénio + glicerina Imagem 6.1 Imagens típicas das chamas obtidas. Figura 6.1 Estrutura típica das presentes chamas. 72