Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
ANÁLISE EM CFD DO PROCESSO DE COMBUSTÃO DE CARVÃO
NUMA CALDEIRA AQUATUBULAR: DEFEITOS DE
FUNCIONAMENTO
Luís F. Dondoni, Pedro L. Bellani, Eduardo M. Nadaletti, Leandro L. Felipetto, Maria L. S.
Indrusiak Arthur B. Beskow & Cristiano V. da Silva
[email protected]
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Equipe do LABSIM
• Prof. Cristiano V. da Silva, [email protected]
• Ac. Luís F. Dondoni
• Ac. Pedro L. Bellani
• Ac. Eduardo M. Nadaletti
• Ac. Leandro L. Felipetto
• Prof. Arthur B. Beskow
Univ. Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI. Av. Sete de
Setembro, 1621, 99700-000, Erechim, RS – Brasil.
• Profa. Maria Luiza Sperb Indrusiak, [email protected]
Escola Politécnica da Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS. Av.
Unisinos, n. 950, CEP 93022-000, São Leopoldo – RS – Brasil.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Introdução
• Usinas termelétricas são largamente utilizadas em todo o mundo
para atender a demanda de energia elétrica.
• No Brasil existem poucas destas usinas, apesar das grandes
reservas de carvão presentes na região sul, fato este associado à
“má fama” que se estabeleceu sobre a queima de carvão no
processo.
• No entanto, novas tecnologias disponíveis em equipamentos
modernos já difundidos no mundo podem garantir uma
minimização do impacto ambiental causado, e reverter este rótulo
e desmistificar o uso do carvão como fonte de energia, trazendo
muitos empregos e riquezas para a região sul do Brasil.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Introdução
• Entretanto, as emissões decorrentes dos processos de combustão
do carvão devem ser mais bem avaliadas e a eficiência do
processo de queima do carvão deve ser sempre melhorada,
tornando-o de fato uma alternativa razoável para integrar a matriz
de energia elétrica do Brasil.
• Para tal, a dinâmica dos fluidos computacional se apresenta como
uma ferramenta viável no desenvolvimento de estudos sobre os
fenômenos que ocorrem na combustão em caldeiras de usinas
termelétricas.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Objetivos
• O propósito do presente estudo é o de analisar a condição de
operação de um gerador de vapor de paredes d’água de uma central
termelétrica a carvão pulverizado onde o selo d’água no fundo deste
gerador apresenta vazamento de ar (ar adicional a temperatura
ambiente entrando na caldeira) em comparação com a situação
normal de operação.
• Dois modelos de radiação também foram adotados para predizer o
efeito da dependência do comprimento de onda da fase gasosa: o
modelo de gás cinza e o modelo de soma ponderada de gases
cinza - WSGG (Weight Sum of Gray Gases), o qual usa os mesmos
coeficientes de Taylor e Foster (1974).
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Objetivos
• Primeira etapa: Simulação do caso base (Caso A – condições
normais de operação) a fim de validar o modelo de combustão
implementado no software aqui utilizado, o Ansys CFX v. 12.1.
• Segunda etapa: Simulação da condição com vazamento de ar– Caso
B.
• Terceira etapa: Simulação de um caso hipotético, Caso C, onde as
mesmas quantidades de ar do vazamento no selo do gerador de
vapor (Caso B) foram introduzidas nas entradas primária e
secundária do ar de combustão deste equipamento (retirando o
vazamento, mas mantendo a mesma quantidade de ar total do Caso
B).
Departamento de Engenharia e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Modelagem Matemática
Considera-se que o processo de combustão ocorra em taxas finitas, assumindo que
a devolatização do carvão ocorra em duas etapas produzindo CH4 e CO:
Para a oxidação do metano considera-se duas etapas globais :
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Uma modelagem Lagrangiana/Euleriana é usada para modelar o escoamento de partículas
de carvão e gases, considerando-se o regime permanente.
As equações médias de Reynolds são utilizadas para a solução do escoamento reativo,
assumindo o modelo k-ω para representar a turbulência do escoamento.
Conservação de massa
, onde
Conservação de espécies químicas
, onde a formação ou destruição de espécies químicas é
e
, pelo modelo de Arrhenius.
A partir do modelo de Eddy-Breakup
ou
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Conservação de quantidade de movimento
onde
e
Conservação de energia (Le=1)
onde
e o termo fonte de radiação térmica, descrito pelo modelo Discrete Transfer Radiation
Model (DTRM), é
Sendo que o termo fonte de reações químicas é modelado por
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Formação de poluentes - NOx
A formação de NOx modelada através dos mecanismos thermal-NO,
prompt-NO e fuel-NO. Considera-se que para o nitrogênio do combustível a
reação ocorra de forma instantânea para formar o HCN, o qual reage a partir das
taxas finitas utilizando-se o mesmo modelo anterior, Eddy-Breakup-Arrhenius.
Espectro de absosrção dos gases de combustão: Gás Cinza e
WSGG
Dois modelos para prever o comportamento do espectro de absorção dos gases de
combustão na transferência de calor por radiação térmica são avaliados: gás cinza
– que considera o espectro homogêneo e constante em todo o domínio par a fase
gasosa; modelo da soma ponderada de gases cinzas – WSGG considera
homogêneo, porém variável com a temperatura, o espectro de emissão e absorção
da fase gasosa no processo – adota-se os coeficientes de Taylor e Foster.
OBS. Partículas de carvão e cinzas leves são modeladas como corpos negros.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Método Numérico
Os campos de propriedades dentro da caldeira (velocidade, temperatura, pressões,
concentrações, etc.) foram numericamente determinados com a utilização do
software comercial Ansys CFX 12.1, o qual é baseado no método dos volumes
finitos (Patankar, 1980). A power law foi selecionada para avaliar os fluxos na
superfície do volume de controle e a função up-wind foi prescrita para o esquema
de interpolação. O acoplamento velocidade-pressão foi resolvido pelo algoritmo
SIMPLE (Patankar, 1980). Como as equações de conservação são não-lineares,
fatores de relaxação foram utilizados para todas as equações de conservação e
modelos adicionais.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Modelo físico
Central Termelétrica de
160 MWe
A caldeira do gerador de vapor
possui oito queimadores tangenciais
em dois níveis com quatro unidades.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Condições de contorno
• Caso A - Condições normais de operação conforme dados de
projeto:
•
Entrada: As vazões mássicas de ar de combustão primário e secundário e para o carvão
pulverizado, foram definidas como sendo 79,5 kg/s, 100 kg/s e 50 kg/s, respectivamente, sem
inclinação dos queimadores. As temperaturas para o ar primário e carvão, e ar secundário, foram
definidas como 542 K e 600 K, respectivamente. O tamanho das partículas de carvão pulverizado,
tipo CE 3100, foi modelado por uma distribuição probabilística e limitado entre 50 μm e 200 μm.
•
Saída: foi estabelecido como saída do volume de controle modelado a passagem para o gás de
combustão na parede lateral, próximo ao topo da caldeira, logo acima do trocador de calor ECO2,
onde a pressão estática foi atribuída como sendo igual a -400 Pa. Para o modelo de radiação térmica
foi considerada a temperatura local para o cálculo do coeficiente de absorção.
Paredes: Temperatura de saturação prescrita.
•
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Condições de contorno
• Caso B - Condições de operação com vazamento (falha):
•
•
•
Entrada: as vazões mássicas de ar primário e secundário, bem como do o carvão pulverizado foram
definidas como 60 kg/s, 96 kg/s e 44 kg/s, respectivamente, com os queimadores a um ângulo de
inclinação para baixo de 15º, de acordo com os dados operacionais fornecidos pela equipe da usina.
As temperaturas para o ar primário e carvão, e ar secundário foram definidas como sendo 542 K e
600 K, respectivamente. Foi adotada a mesma distribuição paramétrica de tamanho de partícula do
carvão pulverizado do caso A. A entrada de ar pelo selo d’água (condição de falha na operação) foi
estimada pela equipe da usina como sendo de 30 kg/s, sendo atribuída como condição de contorno
na parte inferior da caldeira em estudo. A temperatura deste ar foi definida como 313 K.
Saída: na superfície de saída, similar ao caso A, a pressão estática foi definida como -116 Pa devido
à entrada de ar na parte inferior da caldeira.
Paredes: Temperatura de saturação prescrita.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Condições de contorno
• Caso C – Situação hipotética de operação:
•
•
•
Entrada: neste caso, uma situação hipotética foi considerada para as condições de entrada. Aqui, o
vazamento de ar do caso B, 30 kg/s, é agora somado com o ar de combustão que entra pelos
queimadores. Assim, as vazões mássicas de ar primário, secundário e de carvão pulverizado foram
definidas como 71,7 kg/s, 114,3 kg/s e 44 kg/s, respectivamente, com os queimadores a um ângulo
de inclinação para baixo de 15º. As temperaturas do ar primário e do carvão, e a temperatura do ar
secundário foram definidas como 542 K e 600 K, respectivamente.
Saída: na superfície de saída, similar aos casos A e B, a pressão estática foi definida como -400 Pa.
Novamente, foi considerada a temperatura local para calcular a radiação térmica.
Paredes: Temperatura de saturação prescrita.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Malha computacional
Malha constituída por aproximadamente 1.500.000 elementos
divididos entre tetraédricos no interior e prismáticos nas paredes.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados: Validação
Principais parâmetros de controle usados para comparar e validar os resultados.
Taxa de
transferência de
calor [kW/m2]
Temperatura dos
gases na saída [oC]
%O2
%CO2
CH4
(ppm)
CO
(ppm)
NOx
(ppm)
Caso A – Dados experimentais1
-
414
6,5
13,2
-
58
168
Caso A – Gás cinza sem NO-Fuel1
177
484
4,4
20,8
-
0,7
8,53
Caso A – Gás cinza com NO-Fuel
126
381
3,2
21,9
0,29
66
61
Caso A - WSGGM – Coeficientes
161
de Taylor e Foster (1974)
404
3,2
22,0
0,27
50
97
Caso B – Gás cinza com NO-Fuel
143
486
4,5
20,8
0,06
1,28
113
Caso B - WSGGM – Coeficientes
166
de Taylor e Foster (1974)
555
4,5
20,8
0,06
0,8
156
Caso C – Gás cinza com NO-Fuel
145
485
4,3
21
0,06
1,16
120
Caso C - WSGGM – Coeficientes
171
de Taylor e Foster
553
4,3
21
0,06
0,8
158
1-Dados obtidos em Silva e outros (2010).
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados
(a)
(b)
(a) Campo de temperatura em um plano vertical transversal no interior da caldeira para o caso A:
modelo de gás cinza WSGG. (b) Campo de radiação incidente em um plano vertical transversal no
interior da caldeira para o caso A: modelo de gás cinza; WSGG.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados
(a) Linhas de corrente do
escoamento vindo do vazamento no
selo d’água para o caso B; A escala
das linhas de corrente representa a
temperatura. Detalhes à esquerda,
para o nível superior de
queimadores: (b) fração mássica de
N2; (c) fração mássica de HCN; (d)
fração mássica de O2; (e) Campo de
temperaturas. Detalhes a direita,
para o nível inferior de
queimadores: (f) fração mássica de
N2; (g) fração mássica de HCN; (h)
fração mássica de O2; (i) campo de
temperaturas.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados
Linhas de corrente do escoamento partindo dos queimadores em um dos cantos: (a) caso B; (b) caso C.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados
Fluxo de calor nas paredes: (a) caso B;
(b) caso C.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Resultados
Fração mássica de NOx em alguns planos transversais horizontais(a) caso B; (b) caso C.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Conclusão
• Os campos de temperatura e velocidade estão em concordância com o
comportamento esperado da câmara de combustão analisada.
• O vazamento criou um escoamento ascendente distinto no centro da
caldeira, seguindo o eixo vertical. Os resultados reforçam o papel
conjunto do nitrogênio do combustível, temperatura e turbulência nos
mecanismos de formação do NOx. A simulação da produção do NOx
por meio de três mecanismos (thermal, fuel e prompt) aponta a
influência da alta temperatura e da concentração de oxigênio em
associação com o nitrogênio do combustível no processo,
principalmente para o mecanismo NO-fuel.
•O código mostra boa sensibilidade a variações nas condições de
entrada e de contorno.
Departamento de Engenharias e Ciência da Computação
Curso de Engenharia Mecânica
Agradecimentos