ANÁLISE DO PROCESSO DE OXI-COMBUSTÃO DE CARVÃO PULVERIZADO EM UM GERADOR DE VAPOR USANDO CFD

ANÁLISE DO PROCESSO DE OXI-COMBUSTÃO DE CARVÃO PULVERIZADO EM UM GERADOR DE VAPOR USANDO CFD CFD Analysis of the Coal Combustion in a Boiler Using the Oxy-Fuel Processes Aline ZIEMNICZAC 1 Cristiano Vitorino da SILVA 2 RESUMO O presente trabalho apresenta uma investigação numérica computacional utilizando o software comercial Ansys CFX Europe Ltd. sobre o estudo da combustão de carvão pulverizado - PC - em uma caldeira de uma usina termelétrica situada no Rio Grande do Sul, Brasil. São apresentados resultados de dois casos distintos: processo convencional de combustão e o processo de oxicombustão. Para processos de oxi-combustão, o oxidante utilizado, normalmente ar atmosférico, é substituído por uma mistura de oxigênio e dióxido de carbono, originado da recirculação de gases do próprio processo de combustão. O objetivo deste trabalho é a obtenção de informações que possam servir de subsidio para a otimização do processo de oxi-combustão tais como o melhor entendimento dos fenômenos presentes neste processo, buscando redução na emissão de poluentes na atmosfera atenuando assim o processo de aquecimento global do planeta, além de fornecer informações para a implementação dessa nova técnica de combustão em centrais termelétricas. As simulações realizadas utilizam as condições reais de operação de uma caldeira, que utiliza o ar atmosférico para a queima do carvão, o carvão pulverizado utilizado foi o CE3100, e foi considerada a mesma potência térmica hipotética para ambos os casos. Os resultados incluem o tempo de permanência das partículas de carvão na câmara de combustão, campos de temperatura, transferência de calor e formação de poluentes, bem como os gases CO e NOx. Considerando as características dos processos, com este estudo foi possível observar que o processo de oxicombustão pode ser uma alternativa para melhorar o desempenho deste equipamento. Também mostrou-se uma alternativa para a redução da emissão de poluentes na atmosfera. No entanto, verificou-se que em comparação com a combustão utilizando ar atmosférico o processo de oxicombustão demanda de diferentes condições de operação para manter estável o processo de combustão para a mesma potência térmica, além de ser necessário um estudo da viabilidade econômica para a implementação deste processo. Palavras chave: Simulação, Oxi-Combustão, Carvão, CFD. ABSTRACT In the present work the commercial software CFX Ansys Europe Ltd. has been used to study the pulverized coal combustion PC - into the boiler of a thermal power plant using the oxy-fuel process located in Rio Grande do Sul state, Brazil. Results are presented for two different cases: the conventional combustion and oxy-combustion process. The objective of this work is to obtain information for optimization of the process and to study the viability of boiler conversion of this power plant to oxy-fuel combustion. A manufactured pulverized coal blend CE3100 was numerically tested in the model of a thermal power. To simulate the oxy-fuel processes, the usual Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 48

oxidant, atmospheric air, was replaced for a mixture of oxygen and carbon dioxide, the last one coming from recirculation flue gas of the combustion process. The simulations were made using the actual burning conditions of the boiler, that use atmospheric air for burning the coal, in comparing to combustion processes using the oxy-fuel conditions, considering the same hypothetical thermal power plant for both cases. Results include the residence time of the coal particles into the combustion chamber, temperature fields, flow fluid mechanics, heat transfer and pollutant formation, like CO and NOx, aiming to indicate possibilities for implementing the oxy-fuel processes in this thermal power plant. Considering the characteristics of the blend CE3100 used at this power plant, with this study was possible to achieve data on the oxy-fuel operation for this boiler, indicating that is possible to operate the thermal power plant with this new combustion method, being possible to convert this unit. It was verified, if compared with the atmospheric air combustion, that the oxy-fuel processes demand different operation conditions to maintain stable the combustion processes to the same thermal power plant. KEYWORDS: Simulation, Oxy-fuel, Coal, CFD. 1. INTRODUÇÃO Recentemente pesquisas vêm sendo desenvolvidas a fim de buscar novas tecnologias para a produção de energia elétrica, com o mínimo impacto ambiental possível, principalmente em relação às emissões de dióxido de carbono na atmosfera, um dos principais causadores do efeito estufa. Já que a poluição industrial é umas das principais preocupações ambientais relacionada à queima deste combustível, devido ao elevado número de gases poluentes emitidos na atmosfera tais como NOx, CO, e principalmente o CO 2. Nas últimas décadas o Brasil vem atingindo significativos níveis de crescimento econômico, portanto novas alternativas energéticas vem sendo pesquisadas, a fim de manter esse nível de crescimento ou até mesmo aumentá-lo. Desta forma, mais especificamente na região sul, onde está disponível uma grande reserva de carvão mineral, instalações de novas usinas térmicas que utilizam carvão mineral como combustível apresenta-se como uma boa alternativa para a demanda necessária de energia. No entanto, este tipo de geração de energia acarreta altos níveis de emissão de poluentes, principalmente o dióxido de carbono na atmosfera, o qual é considerado um dos maiores contribuintes à ocorrência do efeito estufa. Existe um consenso mundial a respeito da necessidade da diminuição das emissões causadoras do efeito estufa (WALL, 2007). A manifestação de órgãos ambientais contra o carvão tem sido intensa, principalmente a partir do surgimento das teorias sobre o aquecimento global e redução da camada de ozônio, devido à reivindicação do controle e da redução das emissões de poluentes para a atmosfera durante sua queima. Porém a posição desse bem mineral vem se mantendo relativamente inabalável no cenário mundial. Assim, com o objetivo de melhorar o rendimento destas instalações, os processos convencionais de queima de carvão precisam ser melhorados e, se possível, substituídos pelo uso de novas técnicas mais eficientes, como a técnica de oxi-combustão. Estas novas técnicas de queima com ar enriquecido com oxigênio, ou até com oxigênio puro, já vem sendo aplicadas em processos de combustão em escala industrial. A técnica consiste em fazer recircular parte dos gases de combustão no processo e introduzir nesse gás, que no regime permanente é composto principalmente de CO 2 e H 2 O na forma de vapor, uma quantidade de oxigênio puro necessária para a queima. Assim, o nitrogênio vai sendo removido aos poucos no decorrer do processo, chegando ao extremo de não mais ser necessário, garantindo assim, maior eficiência na produção de energia e menores níveis de emissão de poluentes na atmosfera. Assim, o grande desafio atual da ciência e da Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 49

engenharia envolvida nesta área de conhecimento está na modelagem adequada do problema e na capacidade de resolver esta formulação, a fim de buscar o entendimento e parâmetros indicativos para se desenvolver tecnologia para se aumentar a eficiência do processo de queima e aproveitamento da energia. Nesse cenário, a simulação computacional se apresenta como uma boa alternativa para a realização de estudos aplicados. Neste contexto, para o presente trabalho, uma modelagem matemática envolvendo os principais fenômenos da oxi-combustão de carvão pulverizado beneficiado, tipo CE 3100, foi implementada no software comercial de CFD Computational Fluid Dynamics, Ansys CFX Inc., sendo que as simulações computacioanis foram realizadas junto ao LABSIM Laboratório de Simulação Numérica, vinculado ao GEAPI Grupo de Estudos Aplicados a Processos Industriais do Curso de Engenharia Mecânica da URI Campus de Erechim. Este processo trata-se de um caso real de operação atualmente aplicado numa das caldeiras da Usina Termelétrica de Charqueadas, usina esta do Grupo Tractebel Energia, a qual mantém um convênio com o Curso de Engenharia Mecânica e o GEAPI. Dois casos distintos serão apresentados, com o intuito de comparação: um dos casos utiliza o ar atmosférico como oxidante para a queima do carvão, caracterizando assim o processo convencional de combustão. O outro utiliza as condições de oxi-combustão no processo de queima. É considerada a mesma potência térmica hipotética para ambos os casos. A modelagem implementada nesse estudo de caso será apresentada de forma concisa e objetiva. Foi realizado um grande estudo de malha computacional, considerando refinamentos e otimização dos volumes de controle, até se chegar à malha atualmente utilizada, levando-se em conta o número de volumes de controle desta malha e o tempo computacional. 2. REVISÃO DA LITERATURA O emprego da oxi-combustão teve início nos anos cinqüenta (GITMAN, 1986). Desde então, muitos estudos e desenvolvimentos foram realizados. No início, devido à crise do petróleo e à diminuição dos custos de produção do oxigênio com avanço das técnicas criogênicas de separação do ar, as chamas enriquecidas surgiram como uma forte alternativa para melhorar a eficiência dos processos de combustão a nível industrial (SHAHANI et al., 1994, 1996). Recentemente, em função de restrições ambientais, a viabilidade econômica do processo de oxi-combustão na produção de energia em grandes centrais termelétricas a carvão se apresenta cada vez mais próxima. Um trabalho realizado por Singh et al. (2003) apresenta um estudo comparativo da viabilidade técnica e econômica da performance de uma planta de potência de 400 MWe modificada num processo de retrofitting para operar em oxi-combustão. Duas situações convencioansi são avaliadas: uma a partir da separação do CO 2 dos gases de combustão do próprio processo para seu insuflamento numa mistura com o oxigênio do ar; outra considerando a técnica de recirculação dos gases de combustão misturando oxigênio puro. Os resultados mostram que, embora ambas sejam mais onerosas para o custo da eletricidade em cerca de 20 a 30%, a opção de recirculação dos gases de combustão e injeção de oxigênio se apresenta mais viável. Liu et al. (2005) realizaram um estudo experimental da combustão de carvão pulverizado em um incinerador de 20 kw, com diferentes concentrações de O 2 /CO 2 para o processo de oxi-combustão, comparado com níveis de O 2 foram encontrados significativas variações da temperatura no interior da câmara de combustão, fato este que pode levar à desestabilização das chamas. O aumento do O 2 em um total de 30% resulta num perfil semelhante à temperatura num processo estequiométrico. Os níveis de NOx e CO são elevados na zona de combustão, principalmente na região onde se concentram as partículas de carvão. Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 50

Hjarstman et al. (2009) examinaram a influência da taxa de reciclagem dos gases de combustão, a qual afeta a fração de O 2 que entra na caldeira, os dados levantados no estudo foram medidos em uma unidade de teste de 100kW -localizada na universidade de Chalmers. Três concentrações de O 2 foram investigados, no processo de oxi-combustão - 25, 27 e 29 vol.% O 2 - sob uma constante razão estequiométrica. A estrutura da chama e as concentrações de gases para a oxi-combustão no caso de 25% foram semelhantes ao processo utilizando ar atmosférico como oxidante, enquanto para a redução das taxas de reciclagem representaram uma temperatura máxima maior, menores velocidades de gases de combustão, além de apresentar uma combustão completa mais rápida. Níveis de CO na caldeira podem atingir valores locais mais elevados para os casos de oxicombustão com 27 e 29 % de O 2, entretanto, na saída da caldeira os gases de combustão, a fração molar foi menor do que no caso de queima utilizando ar atmosférico. As concentrações de NOx na saída dos gases diminuíram cerca de 30% em todos os casos testados usando a técnica de oxicombustão. O estudo desenvolvido por Nikolopoulos et al. (2011) apresenta uma investigação numérica tridimensional com um combustível pulverizado, utilizando uma caldeira com queimadores tangenciais localizada em Florina/Greece ao ar livre, operando em condições parciais e totais de oxi-combustão. As técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD foram aplicadas, neste estudo. Transferência de calor e massa e maior concentração de espécies químicas, como CO 2, CO e O 2 calculadas, estão de acordo com as condições de operação medidas na planta de referencia, tanto para as condições de combustão quanto emissões de NOx. Neste trabalho o conceito de ECO-Scrub foi comparado com um processo de combustão convencional utilizando somente ar atmosférico, e com um processo total de oxi-combustão retrofit. Foram comparados os resultados encontrados sobre os campos de temperatura e velocidade, concentração das espécies químicas, transferência de calor, partículas queimadas e as emissões de NOx. Os resultados das simulações indicam que a implementação do processo utilizando oxi-chamas em caldeiras de grande porte é relevante, comprovando que seu funcionamento é bastante eficiente. O trabalho de Abbas et al. (2011) utiliza também, a técnica CFD no estudo da modelagem através do uso de carvão pulverizado seco em varias condições de combustão. Foram investigados 4 casos: combustão convencional com ar atmosférico, e três situações para o processo de oxicombustão utilizando diferentes concentrações de O 2-25 vol.% O 2 (OF25), 27 vol.% O 2 (OF27), e 29 vol.% O 2 (OF29). As reações químicas (devolatização e queima de carvão), transferência de calor por radiação e convecção, fluidos e campos de trajetórias de partículas (processos homogêneos e heterogêneos), e modelos de turbulência empregando 3D nas simulações com CFD. Os resultados experimentais foram obtidos em uma unidade teste de 100kW (Chalmer s furnace) operando com carvão, afim de se validar os resultados encontrados nas simulações. O efeito aerodinâmico para as entradas primárias e secundárias dos queimadores foi incluído por meio de um turbilhão na entrada dos queimadores, a fim de se obter certa estabilidade de chama dentro da caldeira. A validação e comparação de todos os casos realizados com os dados experimentais foram feitas usando os perfis de distribuição de temperaturas e a concentração de espécies químicas (O 2, CO 2, e H 2 O), perfis estes escolhidos nos locais de combustão mais intensa na fornalha. A visualização global da distribuição da temperatura da chama e das concentrações de oxigênio foram localizados na farte superior da caldeira. Os resultados numéricos mostram que a distribuição da temperatura da chama e o consumo de O 2 para o caso de oxi-combustão com 25% de O 2 são praticamente iguais ao caso de combustão com ar atmosférico. Por outro lado, para o caso de oxicombustão com 27 e 29% de O 2, a temperatura da chama foram maiores e mais concentradas na região mais próxima da saída dos queimadores. Isto é resultado do consumo mais rápido de oxigênio que leva a melhoria das condições de ignição no processo, para os últimos casos. Portanto, este estudo concluiu que o tempo de residência, estequiometria, e reciclagem das taxas dos gases de Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 51

combustão são parâmetros relevantes para a otimização dos processos de oxi-combustão em geradores de vapor. Os resultados mostraram certa concordância com as medições qualitativas e quantitativas dos perfis de distribuição de temperaturas e concentrações de espécies químicas mais intensas nos locais onde ocorre a combustão propriamente dita dentro da caldeira. Estes resultados numéricos podem promover informações utéis para futuras modelagens do comportamento de carvão pulverizado no processo de oxi-combustão em geradores de vapor em larga escala. 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS A combustão é definida como uma reação química que ocorre quando os elementos presentes em um combustível reagem com um oxidante, geralmente o oxigênio do ar, desprendendo grande quantidade de calor. Dentre os elementos químicos presentes nos combustíveis, os principais responsáveis pela liberação de calor são carbono, hidrogênio e enxofre. Geralmente, o oxigênio necessário para a combustão é proveniente do ar atmosférico, o qual é constituído por cerca de 21% de O 2 e 79% de N 2 em volume. (RIBEIRO, 2002). Já na tecnologia de oxi-combustão (oxy-fuel) consiste na queima de carvão em uma atmosfera livre de N 2. Usualmente, o nitrogênio é substituído por um gás rico em CO 2 o qual é recirculado do próprio processo. O foco das pesquisas a respeito da tecnologia de oxi-combustão tem sido para o uso em plantas de geração de energia, novas ou já existentes. Segundo Wall (2007), até o ano de 2007, as pesquisas a respeito da tecnologia de oxi-combustão ainda estavam sendo realizadas em plantas piloto de geração de energia, e ainda não havia muitos estudos fundamentais. A queima do carvão em uma atmosfera livre de nitrogênio, conhecida como oxi-combustão é uma possibilidade real de redução emissões de poluentes para a atmosfera. A combustão do carvão em oxigênio puro produz um gás rico em CO 2 e vapor d água com baixíssima concentração de NOx, permitindo uma fácil separação e captura do CO 2 para posterior estocagem. Devido à alta temperatura da chama que a queima em O 2 puro resultaria, parte do gás de combustão (rico em CO 2 ) é recirculado, suprindo o volume de gás perdido pela retirada do N2 do ar e evitando o aumento excessivo da temperatura do processo (BUHRE et al., 2005). 4. OBJETIVOS O processo de enriquecimento do comburente com oxigênio (oxi-combustão) mostra-se uma forte alternativa, no processo de geração de energia em centrais termelétricas, reduzindo o nível de emissões de poluentes na atmosfera, e melhorando o rendimento dessas instalações. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo geral a realização de um estudo numérico computacional sobre o processo de combustão de carvão pulverizado em processo de oxicombustão a fim de entender melhor os fenômenos presentes neste processo, tendo como principal finalidade a obtenção de dados para a implementação de processos mais eficientes na produção de eletricidade, buscando assim indicativos para o desenvolvimento e a otimização da queima de carvão mineral, com menores quantidades de emissão de poluentes na atmosfera, que possam levar a uma redução no processo de aquecimento global do planeta, além de fornecer informações técnicas para a implementação dessa nova técnica de combustão em centrais termelétricas distribuídos pelo Brasil. Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 52

5. MODELAGEM MATEMÁTICA Modelos matemáticos têm sido usados extensivamente nas últimas duas décadas para simular numericamente processos físicos. Em decorrência da maior disponibilidade de computadores rápidos, problemas para os quais não havia solução, mesmo em geometrias e casos simples, estão agora sendo resolvidos para modelos e geometrias muito mais próximas da realidade. É considerado que a combustão ocorre em taxas finitas de reações químicas na qual a devolatização do carvão ocorre em dois mecanismos, produzindo metano e monóxido de carbono. Para oxidação do metano usa-se o modelo de reações químicas WD2 (Ansys Inc. 2004), onde como produtos da combustão na primeira etapa de queima formam-se monóxido de carbono e vapor d'água. Na segunda etapa de queima, o monóxido de carbono, somando-se ao que resultou da devolatização, reage com o oxigênio remanescente para formar dióxido de carbono. Essas reações podem ser vistas abaixo: (16) Serão implementados os modelos representativos deste fenômeno presente no processo de queima do carvão pulverizado. Para tal, devem ser respeitadas as equações de conservação de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies químicas, incluindo modelos de turbulência k-ω, as quais são descritas a seguir. 5.1. Modelo de devolatização de carvão mineral A devolatização do carvão é modelada usando o modelo de taxas de Arrhenius em dois passos (UBHAYAKAR et al., 1976, apud SILVA, 2007), no qual duas diferentes taxas de reação e diferentes rendimentos de devolatização competem para produzir a pirólise do carvão bruto. A primeira reação predomina em partículas de temperatura mais baixa e tem um rendimento Y 1 inferior ao rendimento Y 2 da segunda reação que domina em temperaturas mais altas. Como resultado, o rendimento final de devolatização dependerá do histórico de temperaturas da partícula, e aumentará com a temperatura, resultando em algum lugar entre Y 1 e Y 2. Neste modelo, a fração mássica do carvão bruto é especificada como a fração mássica de voláteis uma vez que todos estes materiais podem ser convertidos para voláteis. O Quadro 1 apresenta de forma esquemática os mecanismos de devolatização do carvão, e oxidação do carbono e voláteis. Quadro 1 - Esquema básico das reações do carvão (SILVA, 2007). Devolatização I 1 Raw Coal 0,61 Char + 0,39 Voláteis Oxidação do Char Devolatização II 1 Raw Coal 0,2 Char + 0,8 Voláteis (32) (28) (28) (18) (28) 3( O2 + 3.76N 2 ) 2CO + 4H2O 11. 2 (32) (28) (28) (28) ( O + 3.76N ) 2CO 3.76 2CH 4 + + 28N (28) 2CO + 1 2 2 2 + N2 1 Char + 2,667 O 2 3,667 CO 2 Oxidação dos Voláteis 0,36 CH 4 + 0,54 O 2 0,36 CO + 0,72 H 2 O 0,64 CO + 0,32 O 2 0,64 CO 2 Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 53

5.2. Conservação de massa e espécies Em função da pressão ser próxima da atmosférica, é possível considerar escoamento incompressível, sendo a variação da massa específica função apenas da temperatura. Assim, considerando o regime transiente de operação, a equação da conservação de massa pode ser expressa da seguinte forma (1) onde:, é a massa específica média em relação a massa do componente i na mistura, é massa específica média dessa mistura, x é a coordenada espacial, é o vetor velocidade e é a velocidade média do componente i. O termo representa a vazão mássica relativa, e é o termo fonte para o componente i, o qual inclui os efeitos das reações químicas (SILVA et al., 2007). Note que se todas as equações representadas pela Eq. (1) forem somadas sobre todos os componentes, e o termo fonte for considerado zero, o resultado é a equação da continuidade padrão. O fluxo de massa está relacionado ao movimento diferencial dos componentes individuais. Neste trabalho, este termo é modelado para o movimento relativo dos componentes da mistura e o efeito primário é o do gradiente de concentração. Portanto, (2) onde é a difusividade cinemática. A fração mássica do componente i é definida como. Substituindo esta expressão na Eq.(2) e modelando o fluxo escalar turbulento assumindo dissipação turbulenta segue que onde é a viscosidade turbulenta, é o número de Schimdt. A formação ou destruição de espécies químicas é obtida pelo somatório das taxas de destruição e formação da espécie em questão em todas as reações que ela se apresenta, como: sendo obtidas pelo modelo combinado de Eddy-Breakup-Arrhenius, que leva em conta a taxa de dissipação de vórtices e os tempos turbulentos de reações químicas e a cinética química com seu taxa de reação. Pelo modelo de Arrhenius (3) Para o modelo Eddy-Breakup levando em conta chamas difusivas tem-se (4) Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 54

ou, na presença de pré-mistura, uma terceira relação é necessária para o modelo Eddy-Breakup, então dada por (5) Para o modelo combinado de E-A, o valor final de formação de espécies químicas ou taxa de destruição, que deve ser empregado no cálculo do termo fonte das equações de conservação de energia e espécies químicas, é dado pelo menor valor entre os valores obtidos com os dois métodos calculados em paralelo. (6) 5.3. Conservação da quantidade de movimento Para um escoamento multicomponente a equação da conservação da quantidade de movimento é dada por: (7) onde a viscosidade efetiva é. Nessa expressão é a viscosidade dinâmica da mistura e é a viscosidade turbulenta, definida como, onde é uma constante empírica do modelo de turbulência k-ε. O termo representa uma pressão modificada, onde é a pressão média da mistura e é a função delta de Krönecker para a notação indicial. O termo representa um termo fonte mádio onde podem ser computadas as contribuições das flutuações de velocidade devido à turbulência do escoamento, devido a presença de derivadas cruzadas nas médias de Reynolds, assim como a força de arrasto devido ao transporte de partículas (SILVA et al., 2007). 5.4. Modelo de turbulência As equações para energia cinética turbulenta, k, e sua frequência turbulenta, ω são: (8) (9) (10) Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 55

onde, e são constantes empíricas do modelo de turbulência, e são números de Prandtl de energia cinética e frequência respectivamente, e é o termo que representa produção ou destruição de energia cinética turbulenta. 5.5. Conservação de energia Considerando-se o transporte de energia devido à difusão de cada espécie química, a equação de energia pode ser escrita como (11) (12) onde, e representam a entalpia média e o calor específico da mistura, respectivamente. Este último é dado por onde e são o calor específico e a média da fração mássica da espécie química, k é a condutividade térmica média da mistura, é o número de turbulência de Prandtl e representa a fonte médio de energia térmica devido a transferência de calor por radiação. O termo fonte apresenta o somatório dos termos fontes médios de entalpia devido às reações químicas, e segundo Nieckele et al. (2001), Nieckele et al. (2002) e Ansys Inc. (2004), pode ser definido da seguinte forma (13) onde é a taxa volumétrica de formação ou destruição da espécie obtida com modelo de reações químicas. Nesta equação são considerados todos os reagentes e todos os produtos nas reações de oxidação dos combustíveis. O termo é a entalpia de formação da espécie, é a temperatura de referência, e é a temperatura de referência da espécie. (14) 6. MATERIAL E MÉTODOS A seguir segue as etapas de desenvolvimento e implementação da metodologia utilizada no desenvolvimento do trabalho, assim como a descrição do equipamento, o método numérico empregado, os parâmetros de malha e critérios de convergência e as condições de contorno empregadas na solução do problema. Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 56

6.1. Descrição da Caldeira A caldeira em estudo faz parte de um complexo termelétrico de geração de eletricidade operando com um ciclo de vapor superaquecido. A câmara de combustão tem um formato retangular e é composta por duas linhas de queimadores, cada qual com 4 queimadores. O processo de evaporação ocorre principalmente no interior dos tubos que revestem as paredes internas da caldeira. Na região superior da caldeira encontram-se os bancos de tubos dos superaquecedores. O segundo estágio da caldeira compreende uma curva formada por um duto retangular, o banco de tubos do economizador e o aquecedor regenerativo de ar. A partir daí, os gases de combustão passam pelo precipitador eletrostático e são direcionados até a chaminé. A Fig. 1-a apresenta a disposição geral dos trocadores de calor da caldeira. Figura 1 - (a) Disposição geral dos componentes do gerador de vapor; (b) Vista geral da malha e refinamentos. 6.2. Método Numérico Os resultados para os campos de velocidade, temperatura, pressão e concentrações no interior da caldeira foram encontrados utilizando o software comercial Ansys CFX 11, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF) de Patankar (1980). Foi selecionado o esquema "power-low" para avaliar os fluxos nas faces dos volumes de controle. O acoplamento entre pressão e velocidade foi resolvido pelo algoritmo SIMPLE de Patankar (1980). Fatores de relaxação foram utilizados uma vez que as equações de conservação apresentam comportamento não-linear. 6.3. Parâmetros da Malha e Critérios de Convergência O domínio de cálculo considerado para as simulações compreende apenas o primeiro estágio do gerador de vapor: a câmara de combustão com as duas linhas de queimadores e os trocadores de calor situados na parte superior da caldeira, considerando também a curva retangular que se estende até a região de entrada do banco de tubos do economizador. A região de entrada do segundo estágio Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 57

da caldeira foi considerada como sendo a região de saída do domínio de cálculo, onde foi prescrita uma pressão de -400 Pa. A discretização do domínio de cálculo foi realizada utilizando volumes tetraédricos e prismas nas paredes da caldeira, com o intuito de capturar os efeitos da camada limite. Devido às limitações computacionais, a malha gerada e utilizada para as simulações apresenta aproximadamente 2.800.000 elementos, com refinamentos na região da câmara de combustão e em algumas regiões da parede, conforme ilustra a Fig. 1-b. O critério de convergência adotado foi o RMS - Root Mean Square dos valores residuais, e o valor adotado para todas as equações foi de 1x10-4. O tempo físico para a solução da formulação com este critério de convergência é de cerca de 10 dias. Para tal, usam-se computadores com processadores Core 2 Quad, com 16 Gb de RAM, com processamento em série. 6.4. Condições de Contorno As condições de contorno empregadas na solução das simulações foram extraídas de dados experimentais repassados pela usina termelétrica a partir de dados reais de operação da caldeira, para uma carga elétrica de 15MWe. Dois casos são avaliados: um com combustão convencional de carvão pulverizado e outro para oxi-combustão do mesmo carvão. A quantidade de ar que entra na caldeira é dividida em ar primário e ar secundário, nas proporções de 30 % e 70 %, respectivamente. Junto ao ar primário entra o carvão pulverizado. Para o processo convencional de combustão de carvão pulverizado utilizando o carvão beneficiado brasileiro CE3100, a vazão mássica de ar primário é de 4,5 kg/s e de ar secundário é de 10,71 kg/s. A vazão mássica de carvão é de 6 kg/s. O ar primário e o carvão entram na câmara de combustão a 373 K e o ar secundário entra na câmara a 550K. O tamanho das partículas de carvão pulverizado foi modelado por um modelo probabilístico de distribuição limitado entre 50 µm e 200 µm. O modelo de Rosin Rammler é utilizado. Já no processo de oxi-combustão, o oxidante é considerado como sendo uma mistura de 30% de oxigênio, 10% de umidade e 60% de gás carbônico, sendo este último, proveniente da recirculação de parte dos gases de combustão. A vazão mássica de ar primário e secundário, a vazão mássica de carvão pulverizado são as mesmas para o processo convencional. Também as vazões de ar primário e de carvão que entram na câmara de combustão estão a 373 K e o ar secundário a 550 K. O tamanho das partículas é limitado aos mesmos parâmetros do caso anterior. A Tab. 1 apresenta a composição química do carvão beneficiado brasileiro CE3100 em base seca e em base úmida, considerando 16,47 % de umidade. Em ambos os casos a condição de contorno na saída do gerador de vapor foi prescrita como pressão estática, sendo seu valor de -400 Pa. Da mesma forma, foi prescrita uma temperatura de 550 K para as paredes do gerador de vapor, que é a temperatura de saturação do vapor d'água no interior dos tubos. A emissividade das paredes foi considerada como 0,6 e todas as outras regiões, como as regiões de entrada e de saída, foram consideradas corpos negros, ou seja, que não apresentam emissividade. A metodologia empregada no presente trabalho foi testada e validada em Silva et al. (2010). Neste trabalho, o enxofre presente no carvão foi considerado inerte ao processo de combustão. Na sequência do projeto, será implementado um modelo de reações químicas para esta espécie química na modelagem computacional. Tabela 1- Composição química do carvão beneficiado brasileiro CE3100 em base seca e em base úmida Carvão beneficiado CE3100 Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 58

Espécies químicas Base seca Base úmida Carbono 33,21 % 27,74 % Cinzas 54,78 % 45,76 % Oxigênio 7,92 % 6,62 % Hidrogênio 2,34 % 1,95 % Enxofre 1,14 % 0,95 % Nitrogênio 0,61 % 0,51 % Umidade 0,00 % 16,47 % 7. RESULTADOS E DISCUSSÕES A seguir são apresentados e analisados os resultados preliminares das simulações realizadas para ambos os processos de combustão: processo convencional e processo em oxi-combustão. As Figs. 1 a 4 apresentam os resultados para campos de temperaturas, concentrações de espécies químicas de CO e O 2 sobre um plano vertical da caldeira para o processo convencional de queima e o processo de oxi-combustão, a fim de comparação de resultados. Figura 1 - Campo de temperaturas sobre um plano transversal vertical na caldeira : (a) Combustão convencional; (b) Oxi-combustão. O plano apresentado encontra-se sobre um dos queimadores. É possível verificar na Fig. 1 o campo de temperaturas neste plano da caldeira não é o mesmo nos dois processos, porém são fisicamente coerentes. Pode-se observar a predominância das temperaturas acima de 1800 K na região da chama na entrada dos queimadores para o processo de oxi-combustão. A Fig. 2 mostra a concentração de NOx sobre um plano vertical da caldeira dos gases da combustão, pode-se verificar que sua produção é intensificada por meio de um mecanismo chamado Fenimor, usado para prever a formação de NO-prompt e NO-fuel no processo de oxi-combustão, sua intensificação deve-se ao fato da temperatura de combustão atingir os 1800K (Fig. 1), conforme Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 59

Lacava (2000). Assim, para as condições de operação utilizadas neste trabalho, existe uma melhoria no processo usando oxi-combustão, porém produzem altos níveis de NOx. Figura 2 - Campos de concentração de NOx sobre um plano transversal vertical na caldeira: (a) Combustão convencional; (b) Oxi-combustão. Na Fig. 3, é possível notar que a concentração de CO nos jatos de entrada dos queimadores é quase nula em praticamente toda sua extensão e aumenta até seu valor máximo próximo do final do jato (chama, região de temperatura mais elevadas), resultado do preaquecimento e posterior devolatização do carvão no processo. Nota-se, para o processo de oxi-combustão, que na região logo abaixo dos jatos, e também imediatamente acima deles, existe uma grande quantidade desta espécie química, produto da devolatização do carvão e também da combustão parcial do metano, também devolatilizado. Entretanto, para ambos os casos, o CO re-circula dentro da câmara de combustão, passando novamente através da região rica em oxigênio (Fig. 4), sendo então praticamente todo queimado. A Fig. 4 mostra a comparação dos campos de concentração de oxigênio para o processo convencional do carvão pulverizado CE3100, e o processo de oxi-combustão, sobre um mesmo plano transversal vertical na caldeira. Observa-se que para o processo de oxi-combustão tem-se uma quantidade de oxigênio sendo injetada no oxidante, de 30% de O 2 na mistura enquanto no processo convencional a quantidade de oxigênio injetada no oxidante é de 23% de O 2, tornado assim o processo de oxi-combustão com uma chama mais rica em oxigênio. Observa-se que a maior concentração de oxigênio é na região de entrada do jato das chamas para ambos os casos. Também se observa que o oxigênio é consumido mais intensamente no processo convencional de combustão, do que no processo de oxi-combustão, resultando assim numa menor concentração de oxigênio nos gases da combustão. O fato de se ter 30% da quantidade de oxigênio no processo de oxi-combustão melhora a eficiência do processo e gera níveis mais elevados de temperatura, como verificado na Fig. 1, anteriormente. Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 60

Figura 3 - Campos de concentração de monóxido de carbono sobre um plano transversal vertical na caldeira: (a) Combustão convencional; (b) Oxi-combustão. Figura 4 - Campos de concentração de oxigênio sobre um plano transversal vertical na caldeira: (a) Combustão convencional; (b) Oxi-combustão. A Tab. 2 mostra os dados globais das frações mássicas encontrados na saída da caldeira para os processo de oxi-combustão e processo convencional de combustão de carvão beneficiado tipo CE3100. Pode-se observar que para algumas espécies químicas as frações mássicas apresentaram grande variação entre os dois processos, por exemplo, a fração mássica de CO, que diminuiu, e o NOx que por outro lado sofreu um relativo aumento. Estes fatos estes já esperados devido às características do processo de oxi-combustão. Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 61

Tabela 2- Dados globais na região de saída da caldeira: processo convencional e oxi-combustão Combustão convencional do carvão pulverizado CE 3100 Valor absoluto Relativo Processo de Oxi- Combustão do carvão CE 3100 Valor absoluto Relativo Temperatura 712.8 K - 715.3 K - CO 0.0033 [kg/kg] 0.33 % 1.32x10 - [kg/kg] 1.32 ppm CO 2 0.2571 [kg/kg] 25.7 % 0.8315 [kg/kg] 83.15 % CH 4 0.0016 [kg/kg] 0.15 % 3.07x10-8 [kg/kg] 0.0307 ppm H 2 O 0.0591 [kg/kg] 5.9 % 0.1461 [kg/kg] 14.6 % N 2 0.6804 [kg/kg] 68 % 3x10-4 [kg/kg] 0.03% NOx 1.12x10-9 [kg/kg] 1.12x10-3 ppm 6.66x10-6 [kg/kg] 6.66 ppm O 2 ~0 [kg/kg] ~0 % 0.0217 [kg/kg] 2.17 % HCN 3.4x10-4 [kg/kg] 0.034 % 3x10-4 [kg/kg] 0.030 % HCO 4.47x10-9 [kg/kg] 4.47x10-3 ppm 1.62x10-11 [kg/kg] 1.1x10-5 ppm Total 1 [kg/kg] 100 % 1 [kg/kg] 100 % A ausência de NO no processo convencional deve-se ao fato de que a partir das reações de Fenimore uma fração de CH 4 reage com o NO, para formar CO 2, H 2 O e N 2. Assim, para o processo convencional, a quantidade de CH 4, em relação a oxi-combustão, é bam mais elevada, fazendo com que a formação de NO torne-se baixa. Isto é fruto da ineficiência da combustão no caso convencional de combustão. 8. CONCLUSÃO O processo de oxi-combustão também pode ser utilizado como uma boa alternativa para reduzir as emissões de poluentes na atmosfera atenuando o processo de aquecimento global do planeta, pois na oxi-combustão é possível realizar a captura e o seqüestro do CO 2. As simulações mostram também que a oxi-combustão aponta para um melhor aproveitamento das nossas reservas de disponibilidade, intensificando o uso de carvão mineral, melhorando a eficiência de queima do combustível. No entanto, faz-se necessário a realização de uma análise econômica a fim se verificar Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 62

a viabilidade da implementação deste processo, assim como novos testes com variações na concentração de O 2 na mistura com CO 2 do oxidante. 9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANSYS INC. User s Guide - Solver Theory, 2004. AL-ABBAS, A, H., JAMAL NASER, J., DODDS, D. CFD modelling of air-fired and oxy-fuel combustion of lignite in a 100 KW furnace Fuel, Vol. 90, pp 1778 17795, 2011. BUHRE, B.J.P., ELLIOT, L. K., SHENG, C. D., GUPTA, R. P., WALL, T. F. Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 31, pp. 283-307, 2005. GITMAN, G., PYRETRON. Variable Gas/Oxygen/Air Combustion System In: Proceedings of Industrial Combustion Technology Symposium, Chicago, Il, pp. 171-178 HJÄRTSTAM, S., ANDERSSON, K., JOHNSSON, F., LECKNER, B., 2009. Combustion characteristics of lignite-fired oxy-fuel flames Fuel, Vol. 88, pp 2216-2224, 1986. LACAVA, T. P. Investigação experimental do enriquecimento do ar na incineração de resíduos aquosos. Tese. ITA, 2000. LIU, H., ZAILANI, R., GIBBIS, B.M. Comparisons of pulverized coal combustion in air and in mixtures of O 2 /CO 2. Fuel, Vol. 84, pp 833 840, 2005. NIECKELE, A. O., NACCACHE, M. F., GOMES, M. S. P., CARNEIRO, J. E. e SERFATY, R. Evaluation of models for combustion processes in a cylindrical furnace, ASME-IMECE, International Conference of Mechanical Engineering, New York, 2001. NIECKELE, A. O., NACCACHE, M. F., GOMES, M. S. P., CARNEIRO, J. E. e SERFATY, R. Predição da combustão de gás natural em uma fornalha utilizando reação em uma e duas etapas, CONEM - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica - João Pessoa - PB, 2002. NIKOLOPOULOS, N., NIKOLOPOULOS, A., KARAMPINIS, E., GRAMMELIS, P., KAKARAS, E. Numerical investigation of the oxy-fuel combustion in large scale boilers adopting the ECO-Scrub technology Fuel, Vol. 90, pp 198-214, 2011. PATANKAR, S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corporation, USA, 1980. RIBEIRO, A. P. R. Influência da Qualidade do Carvão e das Condições Operacionais no Processo de Combustão de uma Usina Termelétrica. Dissertação - Mestrado em Engenharia Química, UFSC. Florianópolis, 2002. SHAHANI, G.H.; BUCCI, D.; DE VINCENTIS, D.; GOFF, S.; MUCHER, M.B. Intensify Waste Combustion with Oxygen Enrichment, Air Products Publication, Reprinted from Chemical Engineering, by McGraw-Hill, 1994. SHAHANI, G.H.; GUNARDSON, H.H.; EASTERBROOK, N.C. Consider Oxygen for Hydrocarbon Oxidations, Chemical Engineering Progress,Vol. 92(11), pp 66-71, 1996. SINGH, D., CROISET, E., DOUGLAS, P.L., DOUGLAS, M. A. Techno-economic study of CO2 capture from an existing coal-fired power plant: MEA scrubbing vs. O 2 /CO 2 recycle combustion, Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 3073-3091, 2003. SILVA, C. V.; INDRUSIAK, M. L. S.; BESKOW, A. e KAEHLER, J.W.M.. CFD analysis of the pulverized coal combustion processes in a boiler of a thermal power plant: influence of tilted inlet flow of fuel and air on the NOx formation. 19th International Congress of Mechanical Engineering, ABCM, Brasília, DF, 2007. SILVA, C. V.; LAZZARI, L. C., ZIEMNICZAK, A., INDRUSIAK, M. L. S.; BESKOW, A e SCHNEIDER, P. S. CFD analysis of the coal combustion in a boiler of a thermal Power plant Vivências. Vol.8, N.14: p.48-64, Maio/2012 63

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