PROJETO DO DISTRIBUIDOR DE AR DE UM GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO.

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2 PROJETO DO DISTRIBUIDOR DE AR DE UM GASEIFICADOR DE LEITO FLUIDIZADO

3 Objetivo Projetar o distribuidor de ar de um gaseificador em Leito Fluidizado, tendo como ferramenta o software de simulação CeSFaMB (Comprehensive Simulator for Fluidized and Moving Beds).

4 Introdução Projeto SATC/FINEP Gaseificação de Carvões Brasileiros Aplicado à Geração Termelétrica e Produção de Combustíveis. Objetivo primário do projeto: Obtenção de gás de Baixo Poder Calorífico. Aproximadamente 27% das jazidas de carvão disponíveis no Brasil hoje, estão localizados nos municípios da região sul catarinense, cuja principal camada de carvão é a camada Bonito. Figura 1 Mapa de localização das jazidas de carvão no Brasil. Fonte: modificado de DNPM (1986).

5 Fundamentação Teórica Leito Fluidizado Circulante Figura 2 Tecnologia adotada. Fonte: do autor. Apresenta em geral maior taxa de conversão de carbono, quando comparado ao Leito Fluidizado Borbulhante e ao Leito Fixo; Possui maior eficiência do processo, quando bem operado; Menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos; Maior flexibilidade na aplicação dos combustíveis.

6 Tipos de distribuidores de ar Figura 3 - (a) placa perfurada, (b) placa porosa, (c) tuyère tipo direcional ( directional nozzle ), (d) tuyère tipo simple nozzle, bocal ou flauta, (e) placa perfurada côncava, (f) placa com grelhas, (g) tuyère tipo bubble cap e (h) tuyère tipo slit nozzle Fonte: (Basu, 2006).

7 Tabela I - Comparativo entre os tipos de distribuidores Fonte: (Karry e Werther, 2003; Kunii e Levenspiel, 1991). Tipo distribuidor Placa perfurada Distribuidor tipo tuyère Vantagens Simples fabricação, baixo custo de fabricação, facilidade de modificações (diâmetro do orifício, ampliação ou redução) e facilidade de limpeza. Permite grande flexibilidade em áreas de injeção sem sacrificar o diâmetro de cada orifício e ou a perda de carga no distribuidor. Permite variar o número e diâmetro de orifícios para ajustar a velocidade média de injeção do gás através de orifícios bem como a perda de carga total no distribuidor. Desvantagens Limita a área disponível para orifícios, ou seja, limita a velocidade de injeção. Alto custo de fabricação, dificuldade de modificação, dificuldade de limpeza, presença de regiões estagnadas.

8 Metodologia Figura 4 - Esquema do gaseificador com os dados utilizados no dimensionamento do distribuidor (destaque do distribuidor). Fonte: de Souza-Santos (2011).

9 Metodologia Seqüência 1 Seqüência 2 Seqüência 3 Seqüência 4 Figura 5 - Interface do CeSFaMB. Fonte: do autor.

10 1,0 < P d < 4,0 kpa 30 < V or < 90 m/s Não uniforme Uniforme Figura 6 - Fluidização e borbulhamento não uniforme e uniforme. Fonte: Basu (2006).

11 Resultado Figura 7 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios (mm) e do diâmetro dos tuyères (mm). Fonte: do autor.

12 Resultado Figura 8 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios (mm) e do número de tuyères Fonte: do autor.

13 Resultado Figura 9 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios (mm) e do número de orifícios por tuyère. Fonte: do autor.

14 Resultado Figura 10 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do número de orifícios por tuyère e do número de tuyères. Fonte: do autor.

15 Tabela II Resultados das simulações. Fonte: do autor. Diâmetro dos orifícios Resultados Número de orifícios por tuyère Diâmetro dos tuyères Número de tuyères Seqüência 1 3 a 4 mm - 15 a 25 mm - Seqüência 2 3 a 4 mm - - Não influenciou Seqüência 3 2,5 a 3,5 mm 3 a Seqüência 4-8 a a 100 Resultado 3,0 mm 8 20 mm 104 P d = 3,76 kpa; P b = 0,71 kpa; U or = 37,051 m/s; η frio = 18,23%; η quente = 25,20% Conversão de carbono = 38,53%

16 Estrangulamento seguido de expansão da corrente de gás entre o plenum e a entrada na flauta; 2. Perda ao longo da flauta; 3. Estrangulamento da corrente de gás ao passar da flauta para o orifício seguido de expansão ao sair do orifício para o interior do reator (mandatória até certo diâmetro de orifício) Figura 11 Perda de carga no distribuidor. Fonte: do autor.

17 Literatura x CeSFaMB Tabela III Comparativos dos dados encontrados no simulador, com a literatura encontrada Fonte: do autor. Perda de Carga no leito Perda de Carga no distribuidor Velocidade através dos orifícios Diâmetro dos orifícios CeSFaMB 0,710 kpa 3,76 kpa 37,051 m/s 3,0 mm Literatura (de Souza-Santos, 2010; Kunii e Levenspiel, 1991; Basu, 2006; Saxena e outros, 2009) 0,764 kpa 3,767 kpa 37,051 m/s 3,0 mm Comparação 6,9 % 0,19% 0,00% 0,00%

18 Figura 12 Prato metálico. Fonte: do autor. Projeto

19 Figura 13 Tuyère ou flauta. Fonte: do autor. Projeto

20 Figura 14 Distribuidor de gás tipo tuyère. Fonte: do autor. Projeto

21 Projeto Figura 16 Comprimento do jato. Fonte: Kunii e Levenspiel, Figura 15 Possibilidade de fabricação dos orifícios. a) saída do gás horizontal, b) saída do gás com inclinação de 45º, c) comprimento do jato. Fonte: do autor.

22 Seleção material Aço inox AISI 310 Figura 17 Gráficos ilustrando o efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas. Fonte: Chiaverini (2005) Resistência à tração (N/mm 2 ): 665; Limite de escoamento (N/mm 2 ): 315; Dureza Rockwell: B 85; Temperatura de solubilização (ºC): 1040 à 1065.

23 Conclusões A metodologia adotada permitiu a determinação de: Dimensões do Distribuidor de Ar; Diâmetro dos orifícios: ângulo de escorregamento de sólidos; Diâmetro dos tuyères; Isolamento do distribuidor; Comprimento do jato; Os valores calculados pela literatura apresentam erros inferiores a 10%; Necessidade de validação experimental como seqüência dos estudos.

24 Agradecimentos Apoio financeiro: SATC, CNPq, FINEP e FAPESC; Auxílio na elaboração deste artigo: Eduardo Gonçalves Reimbrecht, Thiago Fernandes de Aquino, profa. Araí Augusta Bernárdez Pécora e prof. Márcio Luiz de Souza-Santos (CeSFaMB)

25 Bibliografia 1.Basu, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Edição: Taylor & Francis, p. 496, Chiaverini, V. Aços e ferros fundidos. 7ª. São Paulo, SP, p. 576, de Souza-Santos, M. L. CeSFaMB - Comprehensive Simulator of Fluidized and Moving Bed Equipment (Manual Series 40, de Souza-Santos, M.L. Solid Fuels Combustion and Gasification. CRC Press, p. 508, Karry, S.B.R & Werther, J. Gas Distributor and Plenum Design in Fluidized Beds. In: Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems. Yang, W.-C. (editor). Marcel Dekker, New York, p , Kunii, D., & Levenspiel, O.. Fluidization Engineering. 2nd ed. John Wiley, New York, p. 491, Oka, S. N. Fluidized Bed Combustion. New York: Marcel Dekker, p. 616, Saxena, S. C., Sathiyamoorthy, D. & Sundaram, C.V.. Design principles and characteristics of distributors in gas-fluidized beds. In: Advances in Transport Processes. Vol. 2., p , Sinnot, R. K., Chemical Engineering Design. In: Coulson & Richardson s Chemical Engineering. Vol. 6. Butterworth-Heinemann Ltda. p , Smoot, L. D., & Smith, P. J.. Coal Combustion and Gasification. New York: Plenum Press, p. 464, Williams, A., Pourkashanian, M., Jones, J.M. & Skorupska, N.. Combustion and Gasification of Coal. p. 336, Yang, W.-C. Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems

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