AUTORA: Letícia Xavier Corbini. ORIENTADOR: Nilson Romeu Marcílio

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1 AUTORA: Letícia Xavier Corbini ORIENTADOR: Nilson Romeu Marcílio

2 INTRODUÇÃO O Brasil possui reservas significativas de carvão mineral. Este combustível representa 6 % da demanda total de energia no país. Características desfavoráveis ao uso do carvão brasileiro: Baixo poder calorífico; Elevado teor de cinzas; Alto teor de enxofre. Tecnologias promissoras para geração de energia limpa a partir do carvão: Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC)

3 INTRODUÇÃO Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC) Gaseificação do carvão Combustão dos gases em turbina Remoção eficiente do particulado e dos gases ácidos (altas Temperaturas) não utilizar água como veículo Minimiza custos de tratamento e impactos ambientais

4 INTRODUÇÃO Remoção de partículas finas oriundas da gaseificação Ponto crítico! a altas Temperaturas e Pressões; Protege os componentes da turbina de incrustações e erosão; Leis ambientais - Retenção de particulados poluentes. Técnicas de remoção de partículas em escoamento em altas Temperaturas: Filtros Cerâmicos; Ciclones; Precipitadores eletrostáticos; Lavadores de gases; Filtros granulares Confiabilidade de operação a altas Temperaturas; Baixo custo de operação e construção; Remoção simultânea de sólidos e contaminantes.

5 OBJETIVO PARA ESTE TRABALHO Avaliar a queda de pressão dentro do filtro: Ferramentas computacionais (CFD) Dados experimentais (escala bancada) Comparação da permeabilidade do leito: Experimental X Predita matematicamente

6 ESCOAMENTOS EM LEITOS COMPACTOS Lei de Darcy: Equação de Kozeny-Carman L = espessura da camada de leito k = permeabilidade hidráulica Modos de Estimar k : inclinação da curva experimental u x ΔP Correlação de Blake-Kozeny

7 MODELAGEM MATEMÁTICA Equações de Navier-Stokes: Acúmulo de QM Parcela advectiva Termos difusivos Termo de geração/consumo Equação da conservação de massa total (forma conservativa):

8 MODELAGEM MATEMÁTICA Geometria Utilizada: tridimensional Modelo de turbulência: k-ω Vantagens: Tratamento próximo à parede para baixos números de Reynolds; Não envolve funções de amortecimento complexas e não-lineares; Mais robusto; Fácil convergência. Energia cinética k Dissipação turbulenta ω

9 GEOMETRIA DO PROBLEMA Modelo de filtro proposto para estudo: Filtro de leito granular; Leito composto por esferas de vidro; Retenção de partículas de cinza de carvão. PARTICULADO AR

10 GEOMETRIA DO PROBLEMA Modelo de filtro proposto para estudo: (Patente Prof. Celso Martins) Calhas móveis Calhas fixas Ar + Particulado Ar limpo Meio Filtrante Granular Esferas de vidro Retirada meio filtrante com particulado Espessura do leito: mm

11 GEOMETRIA DO PROBLEMA TESTE DE MALHA Testes Tetraedro Prismas Meio Poroso (Tetraedros) TOTAL Malha horas Malha ~ 10 horas Malha ~ 48 horas Condições de operação consideradas na simulação: Regime de escoamento: estado estacionário; Velocidade do ar na entrada do leito: 0,192; 0,266; 0,416 e 0,538 m.s -1 Esfericidade (φ) :1 Porosidade do meio filtrante (ε): 0,4; Diâmetro médio das partículas do meio filtrante (d p ): 2 mm; Temperatura de operação: 25 C; Considerou se apenas ar na entrada do filtro.

12 APARATO EXPERIMENTAL Versão bancada deste filtro: Localizado no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos), da Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica (UFRGS).

13 MATERIAIS E MÉTODOS Perfil de velocidade média e da vazão volumétrica na saída do filtro Materiais: Tubo de Pitot Padrão Micromanômetro Termômetro Barômetro Metodologia: Pitot conectado ao manômetro foi inserido na tubulação. Variou-se a posição do Pitot através dos pontos de amostragem determinados (NBR 10701, 1989), para 4 frequências diferentes do ventilador (10, 15, 20 e 25Hz). Obteve-se o perfil de velocidades para cada frequência. OBS: 25Hz foi a máxima frequência anterior à fluidização do leito.

14 MATERIAIS E MÉTODOS Medida de perda de carga no filtro Tomadas de pressão: 3 diâmetros a montante e 8 diâmetros a jusante do filtro (NBR 10701, 1989). Manômetro digital SMAR (modelo D1) Medidas de gradiente pressão e pressão estática; Repetiu-se o procedimento para a obtenção do perfil de velocidades. Foram realizados 8 conjuntos de testes para as 4 frequências do ventilador (10, 15, 20 e 25Hz).

15 MATERIAIS E MÉTODOS Permeabilidade Hidráulica Permeabilidade Hidráulica Teórica: k 1 = 3,70 x 10-9 m 2 Blake Kozeny com β = 1,33 (fator de forma) Permeabilidade Hidráulica experimental: k 2 = 2,26 x 10-9 m 2 Dados experimentais de P e Vazão Equação de Darcy

16 RESULTADOS Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos. Freqüência do Ventilador (Hz) Velocidade do gás na entrada do filtro (m/s) Vazão exp média (kg/h) Perda de Carga ( P em Pa) k 1 (teórico)= k 2 (exp) = 2,26 3,70x10-9 m 2 x 10-9 m 2 Experimental 10 0,192 59, ,9 15 0,266 96, ,8 20 0, , ,9 25 0, , ,8 SIMULAÇÕES

17 DP no Filtro (Pa) RESULTADOS Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos Vazão média (kg/h) Dados experimentais k teórico k experimental Darcy

18 RESULTADOS Perfil de pressão no leito.

19 RESULTADOS v = 0,192 m/s V = 0,266 m/s v = 0,416 m/s v = 0,538 m/s

20 CONCLUSÕES Malha 1 mostrou-se bem adequada para a resolução do problema, mesmo não sendo muito refinada; Valores de perda de carga estão dentro do esperado para este modelo de filtro; Resultados experimentais apresentaram valores mais baixos que os obtidos computacionalmente (considerações realizadas); O filtro se mostra adequado para a remoção de particulados na próxima etapa do trabalho e para um scale-up adequado em aplicação industrial.

21 AGRADECIMENTOS Ao orientador, Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio; Ao CNPq e a Rede de Carvão;