VALIDAÇÃO DA MODELAGEM COMPUTACIONAL PARA QUEIMA DE CARVÃO

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1 VALIDAÇÃO DA MODELAGEM COMPUTACIONAL PARA QUEIMA DE CARVÃO Raul VANZ 1 ; Dogo Â. STRADIOTO 2 ; Paulo S. SCHNEIDER 3 ; Mara L. S. INDRUSIAK 4 ; Crstano V. da SILVA 5 1 Unversdade Regonal Integrada do Alto Urugua e das Mssões, raul.vanz@yahoo.com.br; 2 Unversdade Federal do Ro Grande do Sul, dogo.stradoto@apsengenhara.com.br; 3 Unversdade Federal do Ro Grande do Sul, pss@mecanca.ufrgs.br; 4 Unversdade Federal do Ro Grande do Sul, msperbndrusa@gmal.com; 5 Unversdade Regonal Integrada do Alto Urugua e das Mssões, crstano@urcer.edu.br. RESUMO Neste estudo fo realzada uma nvestgação numérca sobre o comportamento radatvo no processo de combustão de carvão pulverzado em uma nstalação de ensao de combustão (CTF) de 0,5 MW, equpada com um quemador IFRF (Internatonal Flame Research Foundaton) Aerodynamcally Ar Staged Burner (AASB). Este estudo fo realzado consderando o método dos volumes fntos utlzando como ferramenta de smulação o software Ansys CFX v.15. Fo mplementada uma modelagem de combustão baseada numa abordagem lagrangeana/eulerana consderando as equações de conservação de massa, quantdade de movmento, energa e espéces químcas para um escoamento multfásco, reatvo e turbulento, a fm de representar a quema de partículas de carvão no nteror da fornalha do reator. Os resultados obtdos apresentam boa concordânca com dados epermentas dsponíves na lteratura, sendo que a valdação é feta através de comparação do fluo de absorção de radação meddo nas paredes da fornalha do CTF. Palavras-chave: Combustão, Carvão, CFD, Radação. ABSTRACT In ths study a numercal nvestgaton was carred out on the radatve behavor n the pulverzed coal combuston process n a 0.5 MW combuston test faclty (CTF) equpped wth an IFRF (Internatonal Flame Research Foundaton) Aerodynamcally Ar Staged Burner (AASB). Ths study was performed consderng the fnte volume method usng the Ansys CFX v.15 software as the smulaton tool. A combuston model based on a Lagrangean / Euleran approach was mplemented consderng the conservaton equatons of mass, momentum, energy and chemcal speces for a multphase, reactve and turbulent flow, n order to predct the burnng of coal partcles nsde the reactor furnace. The results obtaned show good agreement wth epermental data avalable n the lterature, and the valdaton s done by comparng the absorbed radaton flu measured n the furnace walls of the CTF. Key-Words: Combuston, Coal, CFD, Radaton 1 INTRODUÇÃO Pesqusas recentes comprovam que o aquecmento global está realmente em curso. Fca evdente, através de observações, em relação aos aumentos na temperatura méda global do ar e dos oceanos, derretmento generalzado de neve e gelo e o aumento do nível médo dos oceanos, que a stuação é muto séra. O últmo relatóro do Intergovernmental Panel on Clmate Change (IPCC) (2014) é bastante alarmante no sentdo de que, desde o níco da era ndustral, a temperatura méda da Terra aumentou 0,74 C e o nível do mar aumentou entre 10 e 20 cm. Observam-se as consequêncas ncas dessa mudança com as perturbações clmátcas, o derretmento dos fluos de gelo e geleras, o deslocamento de populações e as mudanças na flora e na fauna. Com base em dados dsponíves, este uma ndscutível concordânca de que a causa destes fenômenos se deve ao aumento do nível dos chamados gases de efeto estufa na atmosfera. O prncpal suspeto é o dódo de carbono (CO2) produzdo, prncpalmente, na quema de combustíves fósses. Pesqusas sugerem que até o fnal deste século, o aumento médo da temperatura

2 da Terra pode chegar a 6,3 C (CZERNICHOWSKI- LAURRIOL et al., 2007). Acredta-se que um aumento de no mámo 2 C garante que alterações clmátcas catastrófcas seam evtadas. Para atngr este desígno, concentrações de gases de efeto estufa não devem eceder 450 ppm, sto é, não devem aumentar mas de 18% em relação às concentrações atuas. Neste cenáro, um motvo que tem atraído mutos estudos é o desenvolvmento de tecnologas para a produção de energa elétrca com o mínmo mpacto ambental possível, prncpalmente no que dz respeto às emssões de dódo de carbono na atmosfera, como vsto, prncpal causador do efeto estufa. No entanto, o aumento da produtvdade anda está relaconado à utlzação de combustíves fósses, tas como o carvão mneral, gás natural e dervados do petróleo. Dessa forma, a busca por novos métodos para atender a essas egêncas é de ampla mportânca. Assm, processos convenconas de quema, sea de carvão ou outro combustível fóssl, precsam ser melhorados e, se possível, substtuídos pelo uso de técncas mas efcentes. No entanto, para se atngr o completo domíno da aplcação de novas tecnologas nos processos de combustão e obter resultados realmente satsfatóros, faz-se necessáro uma ntensa busca por maores nformações sobre o processo de quema. Nesse sentdo, o desenvolvmento de modelagens mas completas do processo para a utlzação de smulação numérca aparece como uma ferramenta bastante efcaz para a realzação destes estudos. Estem dversas formas de avalar os processos de combustão em fornalhas e geradores de vapor, porém poucas proporconam um custo relatvamente bao e atngem respostas deseadas. Análses epermentas tornam-se nváves em razão da escala dos equpamentos e da nstrumentação que deve ser aplcada nas centras, sendo a adequação custosa e complea. Neste âmbto, a análse de processos de combustão com ferramentas de dnâmca dos fludos computaconal (CFD Computatonal Flud Dynamcs) torna-se um nstrumento efcaz para a avalação dos processos compleos e que envolvem mutas varáves, como no caso da co-combustão, tendo-se como prncpas obetvos a compreensão dos fenômenos envolvdos, a melhora da efcênca dos equpamentos atualmente em operação e a dmnução das emssões de poluentes. Através da análse em CFD é possível relaconar nos cálculos uma grande quantdade de detalhes, tanto geométrcos quanto de processos, obtendo-se soluções cada vez mas prómas das reas stuações de operação (Slva et al., 2010). Eaton et al. (1999) apresentaram uma revsão de modelos de combustão. Os modelos são baseados nas equações fundamentas de conservação de massa, quantdade de movmento, energa e espéces químcas, sendo que a turbulênca é resolvda por modelos de duas equações como o - ε (LAUNDER e SHARMA, 1974); os modelos de combustão são baseados na cnétca de Arrhenus (KUO, 2005; TURNS, 2000) ou modelos de combustão rápda como o de Magnussen EBU Eddy Brea-Up (MAGNUSSEN e HJERTAGER, 1976). A radação térmca é tratada pelo método de ordenadas dscretas para a solução da equação de transferênca radante Radatve Transfer Equaton RTE (CARVALHO et al., 1991). Anda, outros modelos para desvolatlzação e combustão de combustíves sóldos e líqudos, consderando emssão de poluentes como o NO (ódos de ntrogêno), são avalados. Slva et al. (2010) analsaram por meo de CFD o processo de combustão de carvão mneral pulverzado em uma caldera de uma usna de 160 MW de geração elétrca, com a fnaldade de dentfcar as nefcêncas presentes no equpamento. A modelagem proposta pelos autores abranga as equações fundamentas de conservação, modelo de turbulênca - e o modelo das reações químcas Eddy Brea-Up Arrhenus e a radação térmca em meos partcpantes. Com os resultados obtdos, fo concluído que a modelagem computaconal adotada fo efcente para representar o processo real de operação do gerador de vapor em questão. Smart et al. (2010) fzeram uma análse epermental em uma nstalação de ensao de combustão, equpada com um quemador aerodnâmco IFRF, em escala ploto de 0,5 MW, sob dferentes condções de o-combustão e cocombustão. A análse consstu em varar a relação de recclagem Recycle Rato RR. Apresentaram-se os resultados das meddas de transferênca de calor por radação, fluos convectvos e dados de burnout. Os resultados mostraram que o fluo de calor radatvo de pco mas alto e a lumnosdade de chama mas alta corresponderam à relação de recclagem mas baa. O efeto da co-combustão da bomassa resultou em fluos radatvos de calor mas baos para razões de recclagem correspondentes. Além

3 dsso, os níves mas elevados de fluo de calor radatvo corresponderam ao menor fluo de calor convectvo. Os resultados são comparados com a quema convenconal, com ar atmosférco, e os fluos de calor radatvo e convectvo são dependentes do tpo de combustível. O burnout melhora com a coquema da bomassa sob condções de quema de ar e o-combustão, e o burnout também melhora em condções de quema de o-combustão em comparação com a quema em ar atmosférco. Naser e Bhuyan (2015) utlzaram uma modelagem computaconal para descrever o processo de combustão de carvão Russo sob condções de ar e de o-combustão. Este estudo destacou os possíves efetos da varação do combustível no ambente de gnção e as característcas da transferênca de calor de uma fornalha de pequeno porte. Os resultados foram apresentados em termos de dstrbuções de temperatura, concentrações de CO2, e os efetos da quema em dferentes RR (Recycled Rato). Os resultados mostram que o fluo de calor radatvo e convectvo é sgnfcatvamente manpulado pelo RR. A posção do pco de fluo radatvo move-se para usante com RR crescente devdo ao aumento taa de fluo de massa e O2 reduzdo a um RR mas elevada. Com o aumento do fluo total, a temperatura méda da chama e a temperatura de saída dos gases produtos da combustão dmnuíram, enquanto que com o aumento do fluo de O2, a temperatura méda da chama e a temperatura de saída destes gases aumentaram. O ntervalo de trabalho apresentado para o carvão Russo sugere que o fluo de calor radatvo equvalente a quema com ar pode ser obtdo com um RR de 71% enquanto que a temperatura da chama equvalente na quema em ar fo observada em RR de 72%. Os resultados foram valdados comparando-se com os dados epermentas obtdos por Smart et al. (2010). Boa concordânca fo observada com dferenças na faa de 5 a 10%, comparado com os dados epermentas. Para o presente trabalho apresenta-se, utlzando-se o software comercal Ansys CFX 15, um estudo numérco da combustão de carvão Russo pulverzado, onde a modelagem desenvolvda pelo Laboratóro de Smulação Numérca (LABSIM) é mplementada sobre a geometra de uma fornalha para testes de combustão de escala laboratoral apresentada por Smart et al. (2010), com capacdade de 0,5 MW, tendo como obetvo prncpal avalar o campo de temperaturas e de velocdades no nteror da câmara de combustão, assm como a transferênca de calor por radação térmca nas paredes desta câmara, comparando-se os dados obtdos nas smulações com os dados epermentas apresentados por Smart et al. (2010), a fm de valdar a modelagem. 2 COMBUSTÃO DO CARVÃO A modelagem da combustão de carvão bruto pulverzado é consderada para a determnação da temperatura, concentração de espéces químcas e campos de velocdade tanto da mstura gasosa como para as partículas de carvão bruto, cnzas e o carbono resdual das partículas, verfcando-se a nfluênca dos parâmetros operaconas, como condções heterogêneas para o combustível e o escoamento de ar no combustor durante a quema. O esquema cnétco para a prólse de partículas de carvão utlzado neste trabalho, apresentada por Slva et al. (2010), a qual segue o modelo proposto por Ubayaar et al. (1976), e assume que a carvão mneral é composto de carvão bruto (raw coal), cnza (ash) e água (umdade). O carvão bruto decompõe-se em carbono resdual e gases volátes através de duas reações paralelas e concorrentes de desvolatlzação (R 1,c e R 2,c, ver Fgura 1), onde duas dferentes taas de reação com dferentes rendmentos de desvolatlzação competem, a fm de gerar a prólse do carvão, representado na Fgura 2. As cnzas e a água presentes na partícula de carvão podem ser consderadas como mpurezas do carvão pos não produzem energa. Neste trabalho fo mplementado um modelo para prever a secagem das partículas de carvão proposto por Xanchun et al. (2009). Este modelo estabelece que a partícula úmda de carvão sofre uma reação químca prescrta pelo modelo de Arrhenus de evaporação da água presente na partícula a uma temperatura de 373 K, resultando em carvão seco e vapor de água. Este modelo fo ntroduzdo na programação do problema no Ansys como sendo uma reação químca (R 0,c), a qual pode ser observada na Fgura 2. As constantes cnétcas empregadas na reação de secagem e de desvolatlzação das partículas de carvão adotadas neste trabalho, ou sea, o fator préeponencal e a energa de atvação são mostradas na Tabela 1.

4 Tabela 1 Constantes cnétcas para as equações envolvendo o carvão. Reação Ar E R0,c 4, [g -2.m 6.s -1 ] [J/mol] R1,c 1, [s -1 ] [K] R2,c 1, [s -1 ] [K] Fgura 1 - Modelo de prólse do carvão com secagem. Fonte: adaptado de Velco et al. (2015). Fgura 2 - Esquema de reações químcas do carvão bruto. Na fgura, CH4 é o metano, O2 é o gás ogêno, CO2 o dódo de carbono e H2O o vapor d água. Fonte: Ubayaar et al. (1976) apud Slva et al. (2010). 3 EQUAÇÕES DE TRANSPORTE 3.1 CONSERVAÇÃO DE MASSA E ESPÉCIES QUÍMICAS A conservação de massa de cada elemento é concedda em função de sua própra equação da méda de Favre (KUO, 2005), na qual, consderando escoamento multfásco em regme estaconáro e ncompressível, pode ser escrta em notação tensoral por meo de " U U U S U " [Eq. 01] onde é a massa específca méda ponderada pela massa do componente fludo α na mstura, U U é o campo de velocdade méda na mstura em, ponderado pela massa específca; é a massa específca méda temporal em e U é a velocdade méda em. Anda, é a coordenada espacal, o termo U U representa o fluo mássco relatvo, onde é a massa específca do componente α da mstura. Por fm, S α é o termo fonte para o componente α, o qual nclu os efetos das reações químcas. Se em todas as equações representadas pela Eq. 01 são acrescentados componentes globas, e o termo fonte é prescrto como zero, tem-se a equação convenconal da contnudade. O termo de fluo mássco relatvo é consderado para o movmento dferencal de componentes ndvduas. Nesse estudo, esse termo é modelado para o movmento relatvo dos componentes da mstura e o prncpal efeto é o do gradente de concentração, conforme

5 U U D [Eq. 02] onde D α é a dfusdade mássca. A fração mássca méda do componente α, Y, é defnda como Y α = ρ α ρ [Eq. 03] Substtundo as Eqs. 02 e 03 na Eq. 01 e modelando os termos turbulentos escalares supondo uma dsspação turbulenta, tem-se t Y U Y D S Sc t onde Sc t é o número de Schmdt turbulento e [Eq. 04] t a vscosdade turbulenta. Percebe-se que a soma dos membros de frações másscas com todos os componentes é untára. 3.2 CONSERVAÇÃO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO A conservação da quantdade de movmento para o escoamento do fludo é obtda por meo de meo de médas de Favre como onde [Eq. 05] * p U U UU eff SU U é a velocdade méda ponderada pela massa em, p * é a pressão modfcada defnda por * p p 2 ; é a função delta de Kronecer, 3 é a vscosdade efetva, defnda como a soma eff da vscosdade dnâmca (µ) com a vscosdade turbulenta (µ t). Anda, tem-se U como a velocdade méda ponderada pela massa e S é o termo fonte, U nserdo para modelar o empuo, a força de arrasto gerada pelo transporte de partículas, e outros termos matemátcos gerados pelos modelos de turbulênca. O modelo de Boussnesq fo empregado para representar a força de empuo provocada pelas varações de densdade e o modelo -ε fo aplcado para descrever a turbulênca no escoamento. 3.3 CONSERVAÇÃO DA ENERGIA O transporte de energa em função da dfusão de cada espéce químca pode ser determnado por meo de médas de Favre: cond p Sct Prt S S S [Eq. 06] Nc T t Y t T U h h D c rad rea T onde h é a entalpa específca méda, cond é a condutvdade térmca, T é a temperatura méda, h é a entalpa específca méda do componente α, c p é o calor específco, que é determnado pelo somatóro do calor específco (c p,α) com a méda da fração mássca das α-espéces químcas consttuntes da mstura; Pr t é o número de Prandtl turbulento, N c e α representam os índces do somatóro, sendo que o CFX-Solver resolve N c - α equações de fração mássca, para todos, eceto um componente. Este componente é classfcado como de restrção, pos sua fração mássca é determnada em função de completar o balanço total, ou sea, a undade. Os termos S, rad S e rea S representam as fontes de T energa térmca devdo a transferênca por radação, pelas reações químcas e sumdouro de energa, respectvamente. A varável S pode ser obtda por rea meo de: S rea 0 h MM c p, dt T Tref, R [Eq. 07] onde α é um subscrto que ndca que a quantdade aplca-se à espéce α. Anda, 0 h é a entalpa específca de formação, MM é a massa da mstura molecular do componente α, T é a temperatura ref, méda de referênca das α-espéces químcas e R é a taa de formação ou destrução das espéces químcas. Para completar o modelo, a massa específca da mstura pode ser obtda a partr da equação do estado de um gás deal (KUO, 2005; TURNS, 2000): T 1 pmm [Eq. 08] onde p é a pressão operaconal da câmara de combustão em [Pa]. As Eqs. 07 e 08 são váldas apenas no núcleo de turbulênca, onde >>. Prómo à parede, a le convenconal logarítmca fo utlzada (NIKURADSE, 1933). t

6 3.4 MODELO DE REAÇÕES QUÍMICAS E A (EDDY BREAK UP ARRHENIUS) No presente trabalho, os modelos Eddy Dsspaton e Fnte Rate Chemstry foram combnados para prever as reações de combustão, assm, a taa efetva de reação é assumda como o valor mínmo de ambos os modelos. O modelo Eddy Brea Up é baseado em uma análse fenomenológca de combustão turbulenta assumndo elevados números de Reynolds e Damohler. Trata-se de uma combnação dos dos modelos lstados acma, sendo a taa lmte o menor valor entre as taas de reações químcas calculada por ambos. O modelo reduzdo de reações químcas utlzado neste trabalho assume taas fntas de reações químcas. Além dsso, consdera-se que a odação sea uma combnação de quema dfusva e com pré-mstura, ocorrendo em duas etapas globas de reações químcas, envolvendo apenas ses espéces prncpas: O2, CH4, N2, H2O, CO2 e CO. Uma equação de conservação é necessára para cada espéce químca, eceto o ntrogêno. Por este motvo, têm-se a equação da conservação dada pela Eq. (3.10), onde o termo fonte, S, consdera a taa méda volumétrca para formação ou destrução das espéces em todas as reações químcas. Este termo é calculado a partr da soma das taas volumétrcas de formação ou destrução em todas as equações onde as espéces estão presentes, R,, onde os subscrtos referem-se as espéces e reações, respectvamente. Com sso, formação ou destrução, R R,, e a taa de R,, fo obtda por meo de um modelo combnado Eddy Brea Up Arrhenus, o EBU-Arrhenus (EATON et al., 1999). Tas relações são apropradas para uma grande gama de aplcações, como por eemplo, reações químcas em escoamentos lamnares ou turbulentos, com ou sem pré-mstura. Utlzando esta formulação, Slva et al. (2007) smularam o processo de combustão de metano e ar em uma câmara clíndrca obtendo bons resultados. Posterormente, Slva et al. (2010) analsaram o processo de combustão de carvão e ar em uma câmara de combustão de uma central termelétrca obtendo resultados satsfatóros entre as smulações e os valores reas de operação da câmara de combustão, comprovando a efcáca da presente formulação. 3.5 MODELO DE TURBULÊNCIA O modelo de turbulênca -ε é o modelo mas dfunddo entre os usuáros de CFD para smular característcas de fluo médo para condções de fluo turbulento. É um modelo que dá uma descrção geral da turbulênca por meo de duas equações de transporte. A prmera equação determna a energa na turbulênca e é chamada de energa cnétca turbulenta (), t U P P Y S b M [Eq. 09] A segunda equação, para ε, determna a taa de dsspação da energa cnétca turbulenta transportada. Assm, C U 1 t 2 P C3 Pb C2 S [Eq. 10] onde C 1ε, C 2ε e C 3ε são constantes empírcas admensonas do modelo de turbulênca; σ e σ ε são as constantes admensonas do modelo de turbulênca, P é o termo que representa a taa de produção de turbulênca devdo às forças vscosas, P b representa o efeto das flutuações devdo à turbulênca, S é o módulo do tensor da taa méda de deformação e S ε é o módulo do tensor da taa méda de deformação ε. O valor das constantes descrtas acma podem ser encontrados na Tabela 2. Tabela 2 Constantes do modelo -ε Constante Valor C1ε 1,44 C2ε 1,92 C3ε -0,33 Cμ 0,09 σ 1,0 σε 1,3 Fonte: Launder e Sharma (1974) 3.6 MODELO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO DTRM O DTRM (Dscrete Transfer Radaton Model Modelo de Radação de Transferênca Dscreta)

7 assume que a radação que dea a superfíce de um elemento em uma determnada gama de ângulos sóldos pode ser apromada pelo comportamento de um únco rao (ANSYS, 2009). A equação para a varação da ntensdade radante (I) ao longo do percurso (s), é defnda por: di ds onde T 4 I [Eq. 11] representa o coefcente de absorção gasosa, T representa a temperatura local do gás em, σ é a constante de Stefan-Boltzmann, no valor de 5, [W/m².K 4 ]. Em função da quantdade de partículas no domíno, tanto de cnzas como de carvão, onde tem-se a chama propramente dta (zonas de altas temperaturas) consdera-se o meo como dfuso e assm, opta-se por não consderar o efeto do espalhamento para a radação térmca. Não se consdera para este trabalho a formação da fulgem, sem sua contrbução para a transferênca de calor por radação, novamente pelo domíno estar com grande quantdade de partículas. O DTRM ntegra a Eq. 11 ao longo de uma sére de raos, logo, se α é constante ao longo do rao, I(s) pode ser determnada por: I 4 T s s s 1 e I e 0 [Eq. 12] onde I 0 é a ntensdade de radação no níco do percurso ncremental, o qual é determnado pela condção de contorno aproprada (ANSYS, 2009). A fonte de energa no fludo devdo a radação é então calculada assumndo-se a mudança da ntensdade ao longo do percurso para cada rao, que é rastreado através do volume de controle. A acuráca deste modelo é lmtada em relação ao número de raos utlzados, sendo que para o presente trabalho 16 raos foram austados no Ansys CFX. 3.7 MODELO ESPECTRAL WSGGM (WEIGHTED SUM OF GRAY GASES) No modelo espectral para a contrbução da radação em meos partcpantes WSGG (Weghted Sum of Gray Gases, ou Soma Ponderada de Gases Cnza), a absorção radatva e a emssão a partr dos gases pode ser caracterzada pela emssvdade como função da temperatura e do produto da pressão parcal pelo comprmento do percurso. No caso do presente trabalho, que envolve processo de combustão, os prncpas gases responsáves pela emssão de radação são o dódo de carbono e o vapor d água. Hottel e Sarofm (1967 apud ANSYS, 2009) publcaram gráfcos contendo os valores para a emssvdade do CO2 e H2O, demonstrando que esta varável possu forte dependênca na pressão parcal e comprmento do percurso, porém uma fraca dependênca na temperatura do gás. De acordo com os pesqusadores, esta dependênca funconal pode ser relaconada assumndo-se que a emssvdade surge como resultado da emssão ndependente de um número sufcente de gases cnza: Ng Lp g ag 1 e [Eq. 13] 1 onde é a emssvdade do gás, Ng é o número de g gases cnza, refere-se a prmera ordem do somatóro (índce nferor), a g é a fração do espectro de energa relatva à energa de um corpo negro, L é o comprmento do percurso e p é a pressão parcal. A varável a g pode ser calculada por (HOTTEL e SAROFIM, 1967): a g T b 0 T [Eq. 14] onde representa os índces do somatóro, b os coefcentes polnomas [K - ], sendo o subscrto referente ao gás cnza e à ordem, e T dz respeto à temperatura do gás na ordem [K ]. Para a parcela transparente, garantndo que a energa radatva é conservada, tem-se: T I T a0 1 a [Eq. 15] g 1 onde e I são os índces nferor e superor do somatóro, respectvamente, e a 0 refere-se a parcela transparente da fração do espectro de energa. Com sso, assume-se os coefcentes obtdos por Dorgon et al. (2013), avalados para quema de metano, para uma razão de p H2O/p CO2 = 2, mesmo que esta razão das pressões parcas prevstas na Fgura 2 não sea eatamente 2. Estes coefcentes são mostrados na Tabela 3. Para o presente trabalho anda fo consderado um qunto gás, o qual fo nserdo na modelagem para levar em consderação a anela transparente, ou sea, os comprmentos de onda que não são afetados pelo meo.

8 Tabela 3 Coefcentes do modelo WSGG para ph2o/pco2 = 2. Gás [atm -1 m -1 ] b,0 [-] b,1 [K -1 ] b,2 [K -2 ] b,3 [K -3 ] b,4 [K -4 ] 1 1,921E 01 5,617E 02 7,844E 04 8,563E 07 4,246E 10 7,440E ,719E+00 1,426E 01 1,795E 04 1,077E 08 6,971E 11 1,774E ,137E+01 1,362E 01 2,574E 04 3,711E 07 1,575E 10 2,267E ,110E+02 1,222E 01 2,327E 05 7,492E 08 4,275E 11 6,608E 15 Fonte: Dorgon et al. (2013). 4 MODELO FÍSICO E CONDIÇÕES DE CONTORNO Os dados consderados neste estudo representam a operação de uma Instalação de Ensao de Combustão (CTF Combuston Test Faclty) horzontal em escala ploto de 0,5 MW operando com combustão de carvão Russo pulverzado, com propredades mostrada na Tabela 4, sob condção de quema em ar atmosférco. Adotase a mesma geometra e condções de contorno propostas para a fornalha apresentada por Naser e Bhuyan (2015). Tabela 4 Propredades do carvão Russo utlzado no estudo. Combustível Análse apromada (%ar) Carvão Russo Matéra volátl 33,55 Teor de cnzas 11,98 Carbono fo 48,27 Umdade Total 6,23 Análse eata (%ar) Conteúdo de C 65,91 Conteúdo de H 4,59 Conteúdo de N 2,09 Conteúdo de S 0,34 Conteúdo de O 8,89 Poder calorífco [J/g] Fonte: adaptado de SMART et al. (2010). A fornalha em estudo, mostrada na Fgura 3, consste em uma seção quadrada de 0,8 m, forrada em cerâmca, com 4 m de comprmento, seguda de uma seção convergente com 2,18 m de comprmento levando a uma seção de saída quadrada de 0,3 m, equpada com uma versão reduzda de um quemador IFRF (Internatonal Flame Research Foundaton), onde combustível e odante entram no domíno pelas entradas prmára e secundára, respectvamente. As temperaturas na entrada prmára e secundára foram mantdas a 70 C e 270 C, respectvamente. O número de swrl tem um efeto sgnfcante na combustão e fo gerado na entrada secundára, sendo mantdo constante e gual a 0,6 para todos os casos. As paredes da fornalha foram modeladas como resstêncas térmcas dadas por Stechly et al. (2014) com os respectvos valores mostrados na Tabela 5, assumndo emssvdade gual a 0,85 para todas as paredes. O tamanho das partículas de carvão fo modelado por uma dstrbução probablístca desenvolvda por Rosn-Rammler (BROW, 1995) e, de acordo com Smart et al. (2010), sua dstrbução vara de 75 a 300 μm, sendo que cerca de 77,5% do fluo total de partículas possuem dâmetro menor de 75 μm, com um fator de dspersão de 5,78. Consderou-se que as partículas seam esfércas unformemente dstrbuídas no orfíco de entrada. Na transferênca de calor consderou-se as partículas como sendo corpos opacos e negros com emssvdade untára (ANSYS, 2009). Tabela 5 Resstêncas térmcas assumdas para as paredes. Local Resstênca [m 2 K/W] Parede Superor Parede Inferor 0,235 Paredes Lateras 0,109 Paredes Lateras do Quemador 0,109 Parede Fnal do Quemador 0,109 Fonte: Stechly et al. (2014)

9 Fgura 3 Dagrama esquemátco da geometra da fornalha. Fonte: Naser e Bhuyan (2015) As condções de contorno na entrada prmára e secundára são mostradas na Tabela 6. Tabela 6 Condções de contorno na entrada prmára e secundára. Parâmetros Entrada prmára Valor Vazão mássca de odante [g/h] 110,0 Velocdade Aal [m/s] 15 Temperatura [K] 343 Teor O2 [%] 23,15 Vazão de carvão [g/h] 68 Entrada secundára Vazão mássca [g/h] 620,0 Velocdade Aal [m/s] 39,76 Velocdade Angular [rad/s] 371 Temperatura [K] 543 Teor O2 [%] 23,15 Número de swrl 0,6 Fonte: adaptado de Naser e Bhuyan (2015). 4.1 CONFIGURAÇÕES DE MALHA A malha computaconal fo gerada no software ICEM CFD, programa consttunte do pacote Ansys, realzada com a mplementação de volumes tetraédrcos e prsmátcos, sendo que os prsmas foram utlzados somente nas paredes do equpamento. O tpo de malha utlzado fo o Delaunay qual garante refnamentos de malha onde necessáro e mantém volumes maores onde for possível. Além dsso, a trangulação de Delaunay otmza smultaneamente os seguntes crtéros: ma-mn ângulo (mamzação do mínmo ângulo nterno dos trângulos); mn-ma crcuncírculo (mnmzação do mámo crcuncírculo das arestas); mn-ma mncírculo de contenção (mnmzação do mámo mínmo-círculo de contenção das arestas). Segundo este padrão, a malha fo gerada em três dmensões, como mostra a Fgura 4 em um corte assmétrco, contando com um número de volumes de controle de apromadamente Utlzou-se um maor refnamento destes volumes na regão do quemador e na regão aonde se desenvolve a chama. Para gerar o refnamento da malha, adconou-se nas regões ctadas uma densty, a qual aula na cração de volumes de menor tamanho em uma regão específca. 4.2 MÉTODO NUMÉRICO COMPUTACIONAL Um método numérco tem como obetvo a resolução de um sstema de equações dferencas, substtundo as dervadas estentes por epressões algébrcas que envolvem a função ncógnta (MALISKA, 2004). Quando a solução analítca não é vável, uma apromação numérca da equação dferencal pode ser realzada, porém a solução será baseada para um número dscreto de pontos, o que acarretará em erros no valor fnal, assm, quanto maor for o número de pontos, mas precso é o resultado (não elmnando os erros por completo). Aqu adota-se o método dos volumes fntos de Patanar (1980) para obter as equações apromadas, o qual satsfaz a conservação das propredades em nível de volumes elementares

10 Fgura 4 Malha computaconal em corte assmétrco 4.3 CRITÉRIO DE CONVERGÊNCIA O crtéro de convergênca adotado para a solução das smulações numércas fo o RMS (Root Mean Square Raz Quadrátca Méda) o qual vsa obter valores normalzados dos resíduos das equações. Estes resíduos são uma medda da dssmlardade local de cada equação do volume de controle conservatvo. Para as smulações numércas computaconas, estabeleceu-se o valor de 10-4 para todos resíduos, desta forma, buscando-se atngr uma convergênca satsfatóra. 5 RESULTADOS A Fgura 5 mostra as lnhas de corrente ao longo da fornalha a partr da entrada prmára e secundára de ar (odante) e combustível (carvão pulverzado). É possível, através desta fgura, observar que o escoamento está se comportando como o esperado, apresentando movmentos rotaconas em espral, na forma de redemonhos, aos quas são característcos de escoamentos com swrl. Nesta fgura a escala representa a velocdade do escoamento. Observa-se que algumas das traetóras apresentam desaceleração do escoamento, o que ocasona recrculações. A Fgura 6 mostra a traetóra das partículas de carvão sobre este escoamento a partr da entrada de combustível. Verfca-se que as partículas de carvão com maor velocdade encontram-se na saída do quemador, regão na qual ocorrem as reações de quema. Observa-se, também, que algumas partículas estão desacelerando, assm como acontece com as lnhas de corrente mostradas na Fgura 5, acompanhando as recrculações. Ao longo da fornalha pode-se notar que as partículas tendem a r para o fundo da fornalha. Isso se deve ao fato de que as partículas estão suetas a ação das forças gravtaconas e não seguem perfetamente a traetóra do escoamento. Na Fgura 7, a qual mostra a dstrbução de velocdades para a componente escalar u, na dreção aal em um plano vertcal ao eo central da fornalha, fca vsível, no nteror do bocal, uma zona de recrculação. A Fgura 8 mostra o campo de temperaturas no mesmo plano vertcal ao eo central da fornalha. Nota-se que a chama está concentrada na saída do quemador e que a mesma é relatvamente curta. A partr das Fguras 7 e 8 é possível notar que ao longo da fornalha, devdo a temperatura e varação da massa específca dos gases de combustão, estes passam a se concentrar na parte superor, desenvolvendo maores velocdades comparados às partículas sóldas de cnzas que se concentram na parte nferor da fornalha. A Fgura 9 mostra uma comparação dos dados para fluo de absorção de radação pelas paredes da fornalha smulada e dos dados epermentas obtdos por Smart et al., (2010).

11 Fgura 5 Lnhas de corrente ao longo da fornalha. Fgura 6 Lnhas de traetóras de partículas ao longo da fornalha. Fgura 7 Campo de velocdade aal em um plano vertcal ao eo central da fornalha. Fgura 8 Campo de temperatura em um plano vertcal ao eo central da fornalha.

12 Fgura 9 Comparação dos dados obtdos através da smulação no presente trabalho com os dados epermentas mesurados por Smart et al. (2010) e adqurdos por meo de smulação por Naser e Bhuyan (2015) para o fluo de absorção de radação pelas paredes ao longo do eo longtudnal da fornalha. A varação no fluo de calor por radação nas paredes está lgada às varações de temperatura no nteror da fornalha. Uma vez que a radação é proporconal à quarta potênca da temperatura, uma resolução correta do campo de temperaturas é mportante na resolução da transferênca de calor radatva. Na Fgura 9 são comparados três casos: os resultados do presente trabalho; os de Naser e Bhuyan (2015), também obtdos por smulações em CFD; e os epermentas de Smart et al. (2010), obtdos a partr das condções reas de operação da fornalha. É possível notar que no presente trabalho conseguu-se melhor concordânca de dados do que no trabalho desenvolvdo por Naser e Bhuyan (2015), quando comparados com os dados epermentas mensurados por Smart et al. (2010). Isso mostra que a modelagem numérca utlzada neste estudo fo capaz de descrever mas efcentemente a transferênca de calor por radação nas paredes do caso real de operação, fornecendo uma ndcação de melhor precsão do que a modelagem utlzada por Naser e Bhuyan (2015). 6 CONCLUSÕES Por meo do presente trabalho evdencou-se que a modelagem numérca desenvolvda pelo LABSIM se mostrou efcente para descrever o processo de combustão de carvão, prncpalmente em relação à transferênca de calor por radação, quando comparado com os dados epermentas de Smart et al. (2010) do caso real de operação da fornalha. 7 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CNPq (Conselho Naconal de Desenvolvmento Centífco e Tecnológco) e CAPES (Coordenação de Aperfeçoamento de Pessoal de Nível Superor). 8 REFERÊNCIAS ANSYS Inc. User's gude - CFX Solver Theory, CZERNICHOWSKI-LAURRIOL, I.; EHINGER, A.; THYBAUD, N. CO2 Capture and Storage n the Subsurface A Technologcal Pathway for Combatng Clmate Change (2007). DORIGON, L. J.; DUCIAK, G.; BRITTES, R.; CASSOL, F.; GALARÇA, M.; FRANÇA, F. H. R. WSGG correlatons based on HITEMP2010 for computaton of thermal radaton n non-sothermal, non-homogeneous H2O/CO2 mtures. Internatonal Journal of Heat and Mass Transfer, v. 64, p , 2013.

13 EATON, A. M.; SMOOT, L. D.; HILL, S. C.; EATOUGH, C. N. Components, formulatons, solutons, evaluatons, and applcaton of comprehensve combuston models. Progress n Energy and Comb. Sc., v. 25, p , HOTTEL, H. C.; SAROFIM, A. F. Radatve Transfer. McGraw-Hll, IPCC Clmate Change 2014, Intergovernmental Panel on Clmate Change Forth IPCC, Assessment Report, KUO, K. K. Prncples of Combuston. 2 ed. Hoboen, New Jersey: John Wley & Sons, LAUNDER, B. E.; SHARMA, B. I. Applcaton of the energy-dsspaton model of turbulence to the calculaton of flow near a spnnng dsc. Letters n Heat and Mass Transfer, v. 19, p , MALISKA, C. R. Transferênca de Calor e Mecânca dos Fludos Computaconal. 2ª edção. Floranópols: LTC, NASER, J.; BHUIYAN, A.A. Numercal modellng of oy fuel combuston, the effect of radatve and convectve heat transfer and burnout. Fuel, 139:268 84, NIKURADSE, J. Strömusgsgesetze n Rauhen Rohren. Forsch. Arb. Ing. Ees.. VDI-Forsch 361, SILVA, C. V.; INDRUSIAK, M. L. S.; BESKOW, A. B. CFD analyss of the pulverzed coal combuston processes n a 160 MWe tangentally-fred-boler of a thermal power plant. Journal of the Brazlan Soc. Mechancal Scences. & Eng., v. XXXII, n. 4, p , SILVA, C.V.; FRANÇA, F. H. R.; VIELMO, H. A. Analyss of the Turbulent, Non-Premed Combuston of Natural Gas n a Cylndrcal Chamber Wth and Wthout Thermal Radaton. Combust. Sc. and Tech., v. 179, p , SMART, J.P.; PATEL, R.; RILEY, G.S. Oy-fuel combuston of coal and bomass, the effect on radatve and convectve heat transfer and burnout. Combuston and Flame, 157(12): , STECHLY, K.S.; WECEL, G.; INGHAM, D. CFD modellng of ar and oy-coal combuston. Int J Numer Meth Heat Flud Flow, 24(4):825 44, TURNS, S. T. An ntroducton to combuston Concepts and Applcatons. 2nd ed., New Yor, McGraw-Hll, UBHAYAKAR, S. W.; STICKLER, D. B.; ROSENBERG J. R.; GANNON, R. E. Rapd Devolatlzaton of Pulverzed Coal n Hot Combuston Gases. Proceedngs of the Combuston Insttute, p , VELICKO, A. J.; DA SILVA, C. V.; BESKOW, A.; INDRUSIAK, M. L. S. Análse em CFD do Processo de Co-Combustão de Carvão Mneral com Bomassa Lenhosa: Influênca da Umdade. Perspectva, v.39, XIANCHUN, L.; HUI, S.; QI, W.; CHATPHOL, M.; TERRY, W.; JIANGLONG, Y. Epermental study on dryng and mosture re-adsorpton netcs of an Indonesan low ran coal. Journal of Envronmental Scences Supplement, v. 5, p , 2009.