AUTORA: Letícia Xavier Corbini ORIENTADOR: Nilson Romeu Marcílio
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)
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
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.
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
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
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):
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
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
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: 100-150mm
GEOMETRIA DO PROBLEMA TESTE DE MALHA Testes Tetraedro Prismas Meio Poroso (Tetraedros) TOTAL Malha 1 821852 86964 908816 1-2 horas Malha 2 4859353 248991 5108344 ~ 10 horas Malha 3 9545896 481840 10027736 ~ 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.
APARATO EXPERIMENTAL Versão bancada deste filtro: Localizado no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos), da Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica (UFRGS).
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.
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).
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
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 59,4 84 137 58,9 15 0,266 96,6 117 191 121,8 20 0,416 130,0 183 299 204,9 25 0,538 163,3 211 384 291,8 SIMULAÇÕES
DP no Filtro (Pa) RESULTADOS Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 40 60 80 100 120 140 160 180 Vazão média (kg/h) Dados experimentais k teórico k experimental Darcy
RESULTADOS Perfil de pressão no leito.
RESULTADOS v = 0,192 m/s V = 0,266 m/s v = 0,416 m/s v = 0,538 m/s
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.
AGRADECIMENTOS Ao orientador, Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio; Ao CNPq e a Rede de Carvão;