Effect of the Fuel Composition on the Performance of a Low NOx Combustor Model for Gas Turbines
Efeito da Composição do Combustível no Desempenho
de uma Câmara de Combustão com Baixas Emissões de
NOx para Aplicação a Turbinas a Gás
Pedro Miguel Reis Quaresma
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente:
Professor Hélder Carriço Rodrigues
Orientador:
Professor Mário Manuel Gonçalves Costa
Vogal:
Professor Daniel CardosoVaz
Junho – 2010
RESUMO
O presente trabalho descreve uma investigação experimental sobre o efeito da composição
do combustível no desempenho de uma câmara de combustão com baixas emissões de
NOx para aplicação a turbinas a gás. A câmara de combustão foi inicialmente projectada
para a queima de CH4, tendo neste trabalho sido avaliado o seu desempenho energético e
ambiental para várias misturas gasosas, contendo na sua composição CH4, H2 e CO2 , numa
extensa gama de condições de operação da câmara, incluindo ensaios com pré-mistura
parcial do combustível. A caracterização experimental envolveu a utilização de
analisadores de gases para medir as concentrações das principais espécies químicas (O2,
CO, CO2, HC e NOx) na exaustão da câmara de combustão e, ainda, termopares para
monitorizar as temperaturas do ar à entrada da câmara de combustão e dos produtos de
combustão na sua exaustão.
Globalmente, os resultados revelaram que a adição de quantidades reduzidas de H2 e CO2
ao combustível base (CH4) permitiu manter as emissões de NOx e as eficiências de
combustão em níveis adequados, nomeadamente emissões de NOx inferiores a
10.ppm@15% O2 e eficiências de combustão superiores a 99,5.%. Os resultados
revelaram, ainda, que no caso dos ensaios com pré-mistura as emissões de NOx diminuem,
enquanto as eficiências de combustão permanecem aproximadamente constantes. Numa
segunda fase deste trabalho, foram efectuadas modificações na câmara de combustão de
forma a estudar a influência da velocidade de entrada do ar de combustão no seu
desempenho energético e ambiental. Verificou-se que o aumento da velocidade do ar
conduziu à diminuição das emissões de NOx , provavelmente devido ao aumento da taxa de
recirculação interna, não se registando alterações significativas na eficiência global de
combustão (sempre superior a 99%). Refira-se que a “melhor” configuração originou
emissões de NOx em torno de 2,5 ppm@15% O2, independentemente das condições de
funcionamento da câmara de combustão.
ii
ABSTRACT
This paper describes an experimental investigation on the effect of the fuel composition on
the performance of a low NOx combustor model for applications in gas turbines. The
performance of the combustion chamber, initially designed for the combustion of CH4, has
been evaluated in this study for various fuel gas mixtures, with CH4, H2 and CO2 in its
composition, for a wide range of combustor operating conditions, including tests with
partially premixed flames. The experimental characterization involved the use of gas
analyzers to measure the concentrations of the major chemical gaseous species (O2, CO,
CO2, HC e NOx) in the combustor flue-gas, and also thermocouples to measure the
temperatures of the air entering the combustor and of the combustion products leaving the
combustor.
Overall, the results showed that adding small quantities of H2 and CO2 to the reference fuel
(CH4) allowed maintaining NOx emissions and combustion efficiencies at appropriate
levels, specifically NOx emissions below 10 ppm @ 15% O2 and combustion efficiencies
above 99.5%. The results also revealed that in the case of tests with partial premixed
flames the NOx emissions decreased while the combustion efficiency remained
approximately constant. In a second phase of this work, modifications were made in the
combustor model in order to study the influence of the velocity of intake air on the
performance of the combustor. It was found that the increase in air velocity resulted in
reduction of NOx emissions, probably due to increased internal recirculation rate, without
significant changes in the overall combustion efficiency (always above 99%). Note that the
"best" configuration originated NOx emissions around 2,5 ppm@15% O2, regardless of the
operating conditions of the combustor.
iii
PALAVRAS-CHAVE
1) Turbinas a gás
2) Modelo de câmara de combustão
3) Composição do combustível
4) Emissões de NOx
5) Eficiência de combustão
KEYWORDS
1) Gas turbines
2) Combustor model
3) Fuel composition
4) NOx emissions
5) Combustion efficiency
iv
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Mário Costa agradeço todo o apoio, disponibilidade, motivação e
aconselhamento durante a realização deste trabalho.
Agradeço ainda a todos os colegas do laboratório que de alguma forma contribuíram para a
realização do trabalho com sugestões importantes, auxílio prestado e pelo óptimo ambiente
de trabalho, nomeadamente ao Anton Veríssimo, Maura Rocha, Amândio Rebola,
Gongliang Wang, Miriam Rabaçal e ao Manuel Pratas.
Agradeço também ao Professor Toste Azevedo e ao Dr. Rui Neto, que permitiram o
usufruto do seu laboratório e equipamento sempre que necessário.
Um agradecimento também ao Sr. Norberto e restantes funcionários das oficinas das Áreas
Científicas de Termofluidos e Energia e Ambiente e Energia do Departamento de
Engenharia Mecânica, pela construção de parte do equipamento utilizado nos ensaios.
A todos os meus amigos e colegas de faculdade por todo o apoio dado ao longo destes
últimos cinco anos na minha vida académica, pois sem eles tudo teria sido muito mais
difícil. E ainda pelas suas palavras de amizade e encorajamento proferidas em alturas
cruciais.
Aos meus pais, um agradecimento muito particular, pela compreensão, paciência,
disponibilidade para ajudar e incentivo que sempre demonstraram.
A todos o meu sincero Obrigado!
v
ÍNDICE
RESUMO ....................................................................................................... ii
ABSTRACT .................................................................................................. iii
PALAVRAS-CHAVE .................................................................................. iv
KEYWORDS ................................................................................................ iv
AGRADECIMENTOS ................................................................................. v
ÍNDICE ....................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS ................................................................................ viii
LISTA DE TABELAS ................................................................................. xi
SIMBOLOGIA ............................................................................................ xii
1 – Introdução ............................................................................................... 1
1.1 – Motivação e Objectivos .......................................................................................... 1
1.2 – Revisão Bibliográfica ............................................................................................. 2
1.2.1 – Câmaras de combustão de turbinas a gás: conceitos básicos .......................... 2
1.2.2 – Mecanismos de formação e métodos de controlo das emissões de
poluentes ........................................................................................................... 6
1.2.3 – Estudos antecedentes em câmaras de combustão com baixas
emissões de NOx semelhantes à usada no presente trabalho .......................... 16
1.2.4 – Enriquecimento do combustível com hidrogénio .......................................... 27
1.2.5 – Diluição do combustível com dióxido de carbono ........................................ 34
1.3 – Contribuição do Presente Trabalho ...................................................................... 35
1.4 – Organização da Tese............................................................................................. 36
2 – Instalação e Técnicas Experimentais .................................................. 37
2.1 – Introdução ............................................................................................................. 37
2.2 – Instalação Experimental ....................................................................................... 37
2.3 – Descrição Detalhada da Câmara de Combustão ................................................... 40
2.3.1 – Modelo A – Efeito da composição do combustível ...................................... 40
vi
2.3.2 – Modelos A, B, C e D – Efeito da velocidade do ar ....................................... 42
2.4 – Operação e Procedimento Experimental .............................................................. 44
2.5 – Técnicas Experimentais ........................................................................................ 45
2.5.1 – Concentrações das espécies químicas ........................................................... 45
2.5.2 – Temperatura................................................................................................... 47
2.5.3 – Incerteza dos resultados................................................................................. 48
3 – Apresentação e Discussão dos Resultados .......................................... 50
3.1 – Introdução ............................................................................................................. 50
3.2 – Princípios Básicos de Funcionamento da Câmara de Combustão........................ 50
3.3 – Influência do Combustível no Desempenho da Câmara de Combustão .............. 52
3.3.1 – Condições experimentais ............................................................................... 52
3.3.2 – Resultados ..................................................................................................... 54
3.4 – Influência da Velocidade do Ar no Desempenho da Câmara de Combustão....... 62
3.4.1 – Condições experimentais ............................................................................... 62
3.4.2 – Resultados ..................................................................................................... 63
4 – Fecho ...................................................................................................... 64
4.1 – Conclusões ............................................................................................................ 64
4.2 – Sugestões para Trabalhos Futuros ........................................................................ 65
5 – Referências............................................................................................. 66
ANEXO A – Detalhes da Câmara de Combustão ................................... 72
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Turbinas a gás. a) Turbina a gás destinada à produção de energia
eléctrica; b) Turbina a gás de um avião. ................................................................................ 3
Figura 1.2 – Representação esquemática de uma câmara de combustão convencional
de uma turbina a gás. ............................................................................................................. 5
Figura 1.3 – Limites de estabilidade para os diferentes modos de combustão. A:
chamas estáveis; B: chamas instáveis; C: flameless oxidation (Wünning e Wünning,
1997). ................................................................................................................................... 19
Figura 1.4 – Representação esquemática do processo idealizado para uma câmara de
combustão operar sem chama visível (Wünning e Wünning, 1997). .................................. 20
Figura 1.5 – a) Representação esquemática do queimador típico de uma câmara de
combustão utilizando o princípio de flameless oxidation; b) Resultados das emissões
de NOx obtidos no estudo realizado por Flamme (2004). ................................................... 21
Figura 1.6 – Representação tridimensional das várias configurações utilizadas na
câmara de combustão estudada por Melo (2008). ............................................................... 22
Figura 1.7 – Representação esquemática da câmara de combustão SPRF e das
características do escoamento na zona de reacção (Zinn et al., 2006a, 2006b). ................. 24
Figura 1.8 – Emissões de poluentes (NOx e CO) e eficiência de combustão: a) Cabot
et al. (2004); b) Hayashi et al. (2005a, 2005b). .................................................................. 25
Figura 1.9 – a) Vista superior do TVC (trapped vortex combustor); b) escoamento
previsto na cavidade superior do TVC (Steele et al., 2003)................................................ 26
Figura 1.10 – Representação esquemática da câmara de combustão e da
aerodinâmica do escoamento no trabalho realizado por Szegö et al. (2008). ..................... 26
Figura 1.11 – Esquema experimental do queimador e câmara de combustão
utilizados por Schefer (2003). ............................................................................................. 30
Figura 1.12 – Representação esquemática da câmara de combustão usada por
Strakey et al. (2007) e do escoamento no seu interior. ....................................................... 31
viii
Figura 1.13 – Diagrama de estabilidade das misturas estudadas por Strakey et al.
(2007) para várias composições volúmicas de H2 na mistura. ............................................ 31
Figura 1.14 – Índice de emissão de NOx em função da razão de equivalência para
várias percentagens de hidrogénio na mistura. .................................................................... 32
Figura 1.15 – Equipamento experimental utilizado por Gupta et al. (2009a, 2009b). ........ 33
Figura 1.16 – Sistema de injecção de combustível e câmara de combustão utilizados
nos ensaios por Cabot et al. (2009). .................................................................................... 33
Figura 1.17 – Análise da estabilidade através de imagens de quimiluminescência do
radical CH. ........................................................................................................................... 34
Figura 2.1 – Representação esquemática da instalação experimental. ................................ 37
Figura 2.2 – Imagens do pleno e da câmara de combustão. ................................................ 38
Figura 2.3 – Revestimento do pleno e tubo de entrada do ar 1. .......................................... 39
Figura 2.4 – Medidores de caudal utilizados. ...................................................................... 39
Figura 2.5 – Corte longitudinal do modelo da câmara de combustão (Modelo A). ............ 40
Figura 2.6 – Representação tridimensional do modelo A da câmara de combustão. .......... 41
Figura 2.7 – Imagem das entradas de ar do modelo A. ....................................................... 41
Figura 2.8 – Estrutura do escoamento para três configurações distintas (Kowalewski,
2006). ................................................................................................................................... 43
Figura 2.9 – Sistema de recolha e análise dos gases de escape da câmara de
combustão. ........................................................................................................................... 45
Figura 2.10 – Representação esquemática da sonda de amostragem dos gases de
exaustão. .............................................................................................................................. 46
Figura 3.1 – Esquema da aerodinâmica interna da câmara de combustão. a) Secção
longitudinal da câmara de combustão anular; b) Processo de funcionamento da
presente câmara de combustão tal como idealizado por Levy et al. (2004)........................ 51
Figura 3.2 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as
misturas 1, 2, 3, 4 e 5 para vários φp. Em todas as condições: potência térmica = 4
kW. ...................................................................................................................................... 55
ix
Figura 3.3 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as
misturas 1, 6, 7, 8 e 9 para vários φp. Em todas as condições: potência térmica = 4
kW. ...................................................................................................................................... 56
Figura 3.4 – Eficiência de combustão versus emissões de NOx para as todas misturas
estudadas. ............................................................................................................................ 59
Figura 3.5 – Diagramas de operação para todas as misturas combustíveis estudadas.
Zona 1: NOx < 10 ppm e η ≥ 99,5%; zona 2: NOx < 10 ppm e η < 99,5%; zona 3:
NOx > 10 ppm e η ≥ 99,5%; zona 4: chama visível na zona de exaustão ........................... 61
Figura 3.6 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as
configurações A, B, C e D. Em todas as condições: potência térmica = 4 kW, mistura
1 e φp = +∞ (chamas de difusão). ........................................................................................ 63
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Geometrias dos vários tipos de câmaras de combustão. ................................... 7
Tabela 2.1 – Descrição dos medidores de caudal utilizados. .............................................. 40
Tabela 2.2 – Configurações utilizadas no estudo da influência da velocidade do ar no
desempenho da câmara de combustão. ................................................................................ 42
Tabela 2.3 – Velocidades registadas na entrada de ar nas 3 configurações estudadas
(Kowalewski, 2006). ........................................................................................................... 43
Tabela 2.4 – Características dos analisadores utilizados para a análise da composição
química dos gases de exaustão. ........................................................................................... 46
Tabela 2.5 – Misturas padrão utilizadas na calibração dos analisadores. ........................... 47
Tabela 3.1 – Propriedades das misturas usadas nos ensaios. .............................................. 53
Tabela 3.2 – Condições experimentais: influência da composição do combustível. .......... 53
Tabela 3.3 – Condições experimentais: influência da velocidade do ar.............................. 62
Tabela 3.4 – Áreas das secções de entrada de ar 1 das várias configurações...................... 62
xi
SIMBOLOGIA
Caracteres Romanos
A
Área da secção de entrada do ar de combustão [m2]
Ei
Índice de emissão da espécie i [kgi/kgfuel]
KV
Taxa de recirculação
m& ar
Caudal mássico do ar de combustão [kg.s-1]
m& f
Caudal mássico da mistura de combustível [kg.s-1]
m& pc
Caudal mássico dos produtos de combustão [kg.s-1]
Mf
Massa molar da mistura de combustível [kg.kmol-1]
Pi
Potência térmica da espécie i [W]
PCIi
Poder calorífico inferior da espécie i [kJ.kg-1]
PCSi
Poder calorífico superior da espécie i [kJ.kg-1]
Qar
Caudal volúmico do ar de combustão [Nm3.s-1]
Tad
Temperatura adiabática de chama [ºC]
Tar
Temperatura do ar de combustão no interior do pleno [ºC]
Tg
Temperatura dos gases de escape [ºC]
var
Velocidade de entrada do ar de combustão [m.s-1]
xi
Fracção molar da espécie i
xi (@15% O2)
Fracção molar da espécie i corrigida a 15% de oxigénio
θ, r, z
Coordenadas cilíndricas
Caracteres Gregos
η
Eficiência de combustão
xii
λ
Coeficiente de excesso de ar
φg
Razão de equivalência global
φp
Razão de equivalência de pré-mistura parcial
ρf
Massa volúmica da mistura de combustível [kg.Nm-3]
Abreviaturas
CDC
Colorless Distributed Combustion
DLN
Dry-Low NOx
FLOX®
Flameless Oxidation
HiTAC
High Temperature Air Combustion
LNGT
Low NOx Gas Turbines
MILD
Moderate or Intense Low oxygen Dilution
SLM
Standard Litter per Minute
SPRF
Stagnation Point Reverse Flow
TVC
Trapped Vortex Combustor
xiii
1 – Introdução
1.1 – Motivação e Objectivos
As turbinas a gás usadas em aplicações aeronáuticas e nas centrais termoeléctricas de ciclo
combinado são motores com elevada eficiência termodinâmica (superiores a 60%) e elevado
potencial para operar com baixas emissões de poluentes. Em grande parte por essas razões, a
tendência da legislação ambiental que regulamenta as turbinas a gás é impor cada vez maiores
restrições às emissões de NOx. Nesse sentido, é necessário operar as câmaras de combustão
das turbinas a gás com menores temperaturas de chama e menores flutuações de temperatura.
O grande desafio que se coloca à comunidade científica é, justamente, manter as temperaturas
na zona de reacção baixas em condições de carga máxima, sem que a eficiência global de
combustão seja penalizada em condições de baixa carga.
Nos últimos anos assistiu-se a uma importante evolução na área das turbinas a gás, a qual
potenciou o aparecimento de diversos tipos de câmaras de combustão que apresentam
elevadas eficiências térmicas (próximas de 100%) e baixas emissões de poluentes. Entre esses
tipos de câmaras de combustão, têm principal relevância, para o presente estudo, a combustão
em condições de elevado excesso de ar e a combustão com elevadas taxas de recirculação
(interna) dos produtos de combustão. Neste contexto, é claro que existe ainda espaço para
novos desenvolvimentos, sendo estes desejáveis sobretudo na área da emissão de poluentes.
A combustão muito pobre de gás natural ou hidrocarbonetos tem vindo a receber grande
atenção por parte dos investigadores devido às baixas temperaturas de chama e reduzidas
emissões de NOx. Todavia, próximo dos limites de flamabilidade inferiores, a estabilidade
destas chamas diminui, podendo ocorrer a sua extinção. Além disso, as chamas pobres estão
muitas vezes associadas a baixas eficiências de combustão, instabilidades acústicas e elevados
níveis de emissões de CO e hidrocarbonetos. Uma solução prática para superar estas
dificuldades é a adição de combustíveis mais reactivos ao combustível principal, tal como o
H2. O H2 é também uma alternativa “limpa” aos combustíveis tais como os hidrocarbonetos,
se este for produzido por fontes renováveis e com saldo energético positivo, e a sua utilização
em aplicações a turbinas a gás, em pequenas quantidades juntamente com esse tipo de
1
combustíveis, pode ser uma maneira eficaz de amenizar as preocupações ambientais (e.g.,
aquecimento global).
A recirculação dos produtos de combustão consiste em reenviar parte dos produtos de
combustão para a zona de chama. Esta estratégia de controlo de emissões de NOx permite o
aumento da percentagem de inertes (N2, CO2 e H2O) na zona de reacção. Outro tipo de
solução, equivalente, usada frequentemente, introduz no queimador parte dos gases
provenientes do escape (no qual se inclui o CO2) juntamente com o combustível ou oxidante.
O presente trabalho centra-se, justamente, no estudo do efeito da composição da mistura de
combustível, sendo o seu principal objectivo avaliar o efeito da adição de H2 e CO2 ao
combustível base (CH4) no desempenho energético e ambiental de uma câmara de combustão,
existente no Laboratório de Combustão do Instituto Superior Técnico, a qual foi inicialmente
projectada para a queima de CH4, Melo (2009, 2010). A câmara de combustão em questão
recorre a elevadas taxas de recirculação interna dos produtos de combustão com a finalidade
de manter as temperaturas no interior da câmara de combustão moderadas e relativamente
uniformes e, assim, inibir a formação de NO térmico, garantindo consequentemente níveis de
emissões de NOx muito baixos.
1.2 – Revisão Bibliográfica
1.2.1 – Câmaras de combustão de turbinas a gás: conceitos básicos
As turbinas a gás são equipamentos utilizados para produção de energia eléctrica, em centrais
termoeléctricas ou instalações industriais, ou para propulsão de aviões, helicópteros ou navios
(Figura 1.1). As instalações de turbinas a gás funcionam em ciclo aberto, sendo
genericamente constituídas por um compressor que eleva a pressão do ar atmosférico antes de
este ser introduzido na câmara de combustão, onde ocorre a queima de combustível, e por
uma turbina onde os produtos da combustão são expandidos antes de serem devolvidos à
atmosfera, a menos que passe por um regenerador ou por outro permutador de calor (com
ciclo de vapor). No caso de turbinas destinadas à produção de energia eléctrica, a energia
libertada na turbina é parcialmente utilizada para accionar o compressor e a restante é
transmitida através de um veio a um gerador eléctrico que converte a energia mecânica em
energia eléctrica. O rendimento do ciclo de turbina a gás referido é relativamente baixo,
2
devido à temperatura elevada dos gases de escape. Contudo, a energia dos gases de escape
pode ser aproveitada para pré-aquecer o ar antes de este entrar no compressor, para aquecer
água (cogeração) ou para produzir vapor de água num ciclo combinado de turbina a gás e
turbina a vapor. Em instalações para produção de energia, as turbinas a gás são geralmente
utilizadas para satisfazer picos na procura de energia eléctrica, uma vez que o tempo
decorrido desde o arranque até ao funcionamento a plena carga é substancialmente menor do
que em instalações de turbinas a vapor.
a)
b)
Figura 1.1 – Turbinas a gás. a) Turbina a gás destinada à produção de energia eléctrica; b)
Turbina a gás de um avião.
3
As câmaras de combustão de turbinas a gás têm de satisfazer um conjunto de requisitos
essenciais. Assim, a ignição tem de ser fiável, a chama tem de ser estável, o intervalo dos
limites de flamabilidade deve ser amplo, o funcionamento estável numa vasta gama de razões
de equivalência, a eficiência de combustão elevada, com baixas emissões de poluentes e a
temperatura de saída uniforme e não demasiado alta para não deteriorar as pás da turbina.
Além disso, as flutuações de pressão devem ser pequenas, a queda de pressão relativamente
baixa, a durabilidade elevada, o que implica temperaturas das paredes da câmara de
combustão moderadas, e ainda a manutenção fácil e o custo mínimo. O peso é outro requisito
importante para turbinas usadas na aviação.
A Figura 1.2 apresenta esquematicamente uma câmara de combustão convencional de uma
turbina a gás. A câmara de combustão pode ser dividida tipicamente em três zonas: primária,
intermédia e de diluição. A função da zona primária é a de permitir a ignição e a estabilização
da chama resultante da reacção entre o combustível e o ar de combustão primário. O
escoamento nesta zona apresenta uma recirculação principalmente promovida pelo “swirler”
mas também por jactos radiais opostos, introduzidos entre a zona primária e a zona
intermédia. A combustão ocorre essencialmente na zona primária, com uma razão
ar/combustível aproximadamente estequiométrica, sendo grande parte do combustível
queimado nesta zona. Na zona intermédia, todo o combustível remanescente é consumido.
Entre a zona intermédia e a zona de diluição é introduzido ar adicional que se destina a
garantir uma distribuição de temperaturas tanto quanto possível uniforme e suficientemente
baixa à saída da câmara de combustão, para não danificar as pás da turbina. Para além dos
orifícios de entrada do ar secundário e de diluição, nas paredes da câmara de combustão
encontram-se geralmente muitos entalhes através dos quais o ar é gradualmente introduzido
na câmara de combustão, de modo a manter a temperatura da superfície interior num nível
adequado.
A câmara de combustão de uma turbina a gás (invólucro interior) é delimitada por um
invólucro exterior e apresenta um difusor à entrada. A velocidade do ar é reduzida no difusor,
sendo uma parte do ar (ar primário) conduzido para a zona primária da câmara de combustão
e o restante (ar secundário e de diluição) escoa-se no espaço delimitado pelos invólucros
exterior e interior. O combustível, geralmente líquido, é atomizado e introduzido na zona
primária da câmara de combustão sob a forma de um spray. A ignição é provocada por uma
faísca eléctrica. Para além da configuração básica acima descrita, podem encontrar-se muitas
4
outras, algumas das quais apenas foram investigadas a nível laboratorial, que procuram
optimizar o funcionamento global da turbina a gás.
Zona primária
Zona intermédia
Zona de diluição
Injector
de
combustível
Produtos
de
combustão
Ar
Região anular
Difusor
“Swirler”
Ar
secundário
Ar de
diluição
Invólucro interior
(“liner”)
Invólucro exterior
(“air casing”)
Figura 1.2 – Representação esquemática de uma câmara de combustão convencional de uma
turbina a gás.
As câmaras de combustão podem classificar-se em tubulares, anulares e tubo-anulares, de
acordo com a sua geometria (ver Tabela 1.1). As câmaras de combustão tubulares, usadas
principalmente para produção de energia eléctrica, são constituídas por várias secções
cilíndricas dispostas em redor do veio de rotação do motor. Cada uma destas secções é uma
câmara de combustão como a representada na Figura 1.2, incluindo a passagem anelar para o
ar secundário, de diluição e de arrefecimento. Estas secções cilíndricas encontram-se
interligadas, trabalhando a uma mesma pressão e permitindo a propagação da combustão entre
elas. As câmaras de combustão anulares, usadas principalmente na aeronáutica, são
constituídas por uma única secção, tipo anel, montada concentricamente relativamente ao veio
de rotação em que os invólucros interiores e exteriores são anulares e concêntricos, havendo
um conjunto de injectores de combustível e de entradas de ar primário equidistantes ao longo
da região anular. Este tipo de câmaras de combustão representa, de certo modo, o desenho
ideal devido à sua forma aerodinâmica, resultando numa unidade compacta e com menores
perdas de carga quando comparadas com as câmaras de combustão tubulares. Em aplicações
aeronáuticas, as turbinas a gás com a configuração tubular são actualmente consideradas
demasiadamente longas e pesadas em relação à configuração com câmaras de combustão
anulares. No entanto, as câmaras de combustão tubulares apresentam algumas vantagens
relativamente às anulares em termos de acessibilidade e manutenção sendo, normalmente,
preferidas para motores com potências superiores (80 MW). As câmaras de combustão tuboanulares, usadas em aviões mais antigos e em turbinas de grande potência para produção de
5
energia, são compostas por vários invólucros interiores, cilíndricos, que constituem câmaras
de combustão independentes, e que se encontram equidistantes no interior de um invólucro
exterior anular. Entre os dois invólucros circula o ar de diluição, arrefecimento e secundário.
Este tipo de câmara marca o ponto de viragem entre os dois tipos referidos anteriormente (das
tubulares para as anulares) em que os cilindros que acolhem a combustão se encontram
envolvidos por um mesmo revestimento exterior. Esta disposição combina a facilidade de
manutenção com a forma compacta do sistema anular.
1.2.2 – Mecanismos de formação e métodos de controlo das emissões de poluentes
Os gases de exaustão de uma turbina a gás são compostos por CO2, vapor de água (H2O), CO,
hidrocarbonetos (HC), partículas (principalmente carbono), NOx, O2, N2 e, ainda, SO2 e SO3,
caso o combustível contenha enxofre na sua composição. O impacto de cada um destes
poluentes na saúde humana e no ambiente é diverso.
O CO é um gás venenoso, incolor e inodoro. A sua afinidade com a hemoglobina é bastante
elevada (maior que a do oxigénio) e uma vez estabelecida a ligação, que é extremamente
estável, forma-se a denominada carboxihemoglobina. A hemoglobina fica impedida de
transportar o oxigénio às diferentes partes do organismo, levando a que este entre num estado
de anoxemia. Várias complicações podem advir desta patologia. Os impactos sobre a saúde
para exposições a baixas concentrações, mas continuadas, vão desde percepção visual
afectada, dificuldades de locomoção e aprendizagem, agravamento de problemas cardíacos
pré-existentes. A exposição a elevadas concentrações pode causar a morte.
Os HC são geralmente classificados como compostos potencialmente cancerígenos, sendo os
mais problemáticos os HC poliaromáticos, que afectam as zonas mucosas. No caso do NOx os
efeitos são ainda mais diversificados. Os NOx levam à formação de ácido nítrico na atmosfera
o que pode levar à origem das chuvas ácidas, causando efeitos nefastos sobre os produtos
agrícolas, pescado, qualidade da água, elastómeros e edifícios em geral. Adicionalmente,
quando existe combinação entre NOx e HC na presença de radiação solar forma-se ozono
troposférico, dando origem ao denominado nevoeiro fotoquímico. Refira-se que o ozono
troposférico é altamente oxidante e provoca a irritação dos olhos, nariz e garganta, agrava as
doenças respiratórias e pode provocar a morte em caso de exposição prolongada a elevadas
concentrações.
6
Tabela 1.1 – Geometrias dos vários tipos de câmaras de combustão.
Câmara de Combustão
Imagem
Tubular
Anular
Tubo-Anular
7
O CO2 e o vapor de água nem sempre foram considerados poluentes dado serem produtos da
combustão completa dos hidrocarbonetos. Todavia, encontra-se hoje bem estabelecido que
ambos contribuem significativamente para as alterações climáticas, pois são gases
potenciadores do efeito de estufa. As partículas não são geralmente consideradas tóxicas, mas
estudos efectuados por Seaton et al. (1995) indicaram uma forte ligação entre a asma e outras
doenças respiratórias com a poluição atmosférica contendo baixas concentrações de pequenas
partículas. Finalmente, os óxidos de enxofre são tóxicos e corrosivos e levam à formação de
ácido sulfúrico na atmosfera, sendo os principais causadores das chuvas ácidas.
Os principais factores que controlam o desempenho das câmaras de combustão
convencionais, incluindo o desempenho ambiental, são:
1. Temperatura e razão de equivalência na zona primária;
2. Grau de homogeneidade da mistura no processo de combustão da zona primária;
3. Tempo de residência na zona primária;
4. Características do arrefecimento das paredes da câmara de combustão;
5. Se o combustível for líquido, as características da atomização.
Os parágrafos seguintes resumem as principais conclusões de alguns estudos no que diz
respeito aos mecanismos de formação e métodos de controlo das emissões de poluentes.
Hidrocarbonetos e monóxido de carbono
Os HCs incluem os produtos da degradação térmica do combustível, que formam compostos
que acabam por não reagir quimicamente com o oxidante, e o combustível não queimado que
sai pela exaustão. E estão normalmente associados a taxas de reacção inadequadas, aos efeitos
de congelamento das reacções químicas induzido pelo ar de arrefecimento e, se o combustível
for líquido, a deficientes condições de atomização. Os mecanismos de formação dos HCs são
mais complexos do que os do CO, mas, de um modo geral, verifica-se que os factores que
influenciam as emissões de CO afectam do mesmo modo as emissões dos HCs.
Um dos factores mais importantes na formação do CO prende-se com a existência de zonas
no interior da câmara de combustão onde existem condições de mistura rica, com insuficiente
8
O2 para completar a reacção de oxidação e consequente formação de CO2. Outra das fontes de
emissões de CO está relacionada com o estabelecimento na câmara de combustão de regiões
onde a mistura é muito pobre. Nestas circunstâncias, os elevados níveis de CO para baixos
valores de razão de equivalência, φg, são devidos às baixas taxas de reacção (o processo de
combustão torna-se lento) associadas às baixas temperaturas de chama. Com o aumento de φg
até próximo de 1, a temperatura de chama aumenta, provocada pelo aumento das taxas de
reacção, resultando na diminuição dos níveis de CO. Todavia, em condições de mistura
próximas da estequiometria, onde as temperaturas de chama características são superiores a
1800 K, podem também formar-se quantidades apreciáveis de CO devido às elevadas taxas de
reacção (elevadas temperaturas) que podem originar a dissociação do CO2.
Nas câmaras de combustão de turbinas a gás, um outro factor que contribui para o aumento
das emissões de CO e HC é o ar de arrefecimento das paredes da câmara de combustão,
especialmente na zona primária. Willis et al. (1993) observaram reduções significativas nas
emissões de CO ao operar num motor industrial sem arrefecimento das paredes da câmara de
combustão. Para uma temperatura na zona primária de 1850 K, as emissões de CO baixaram
de 1500 ppm para 700 ppm. Entre outros mecanismos que podem originar HC e CO
destacam-se ainda os fenómenos de quenching induzidos por jactos de ar de diluição ou ar
secundário e atomização ocasionalmente deficiente no caso de combustíveis líquidos.
Partículas
A formação de partículas em processos de combustão é essencialmente função do
combustível, natureza da chama e condições de operação do equipamento. Este poluente é
normalmente reconhecido pelo fumo visível nos gases de exaustão dos motores, causado pela
produção de partículas de carbono muito pequenas (fuligem) nas regiões de mistura rica da
chama. O processo de formação de partículas de fuligem é extremamente complexo e, ainda
hoje, objecto de intensa investigação. Sumariamente, a fuligem forma-se nas regiões ricas de
uma chama, caracterizadas por elevadas temperaturas e baixas concentrações de oxigénio.
Nestas circunstâncias, ocorre o chamado craking da fase gasosa que produz as partículas de
fuligem, as quais são essencialmente constituídas por carbono. Na realidade, as partículas de
fuligem são agregados que resultam de um grande número de partículas esféricas ligadas de
forma irregular, cuja maior dimensão é, tipicamente, cerca de 0,1 µm (Nettleton, 1979). As
9
partículas que não oxidarem deixam obviamente a câmara de combustão juntamente com os
produtos gasosos da combustão.
Face ao exposto a formação de fuligem ocorre predominantemente em chamas de difusão de
hidrocarbonetos, junto à frente de chama, do lado rico da mistura. Com efeito, em chamas de
pré-mistura, a formação de fuligem só é importante para razões de equivalência superiores a
um dado valor crítico, isto é, para misturas ricas. Apesar de a fuligem se formar na maior
parte das chamas de difusão de combustíveis gasosos e líquidos e em chamas de pré-mistura
ricas, a sua emissão depende da competição entre os seus processos de formação e oxidação.
Ora, sucede que na maior parte dos sistemas industriais de combustão alimentados a
combustíveis gasosos e líquidos, o processo de oxidação da fuligem é suficientemente intenso
para assegurar a sua destruição no interior da câmara de combustão.
Os métodos de controlo das emissões de partículas são baseados na sua captura após deixarem
a câmara de combustão e incluem equipamentos tais como câmaras de sedimentação,
ciclones, filtros de manga e precipitadores electrostáticos.
Óxidos de azoto
Os óxidos de azoto designam-se genericamente por NOx e incluem o óxido de azoto (NO) e o
dióxido de azoto (NO2). Na maioria dos sistemas de combustão o NO é, de longe, a principal
fonte de NOx. Por esta razão, os seguintes parágrafos concentram-se somente nos mecanismos
de formação de NO. Existem quatro mecanismos que podem promover a formação de NO
durante uma reacção de combustão:
1. Mecanismo térmico, ou de Zeldovich, dominante a altas temperaturas (superiores a
1800 K) num intervalo de razões de equivalência relativamente largo;
2. Mecanismo imediato, ou de Fenimore, associado à química dos hidrocarbonetos,
sendo particularmente importante em regiões com misturas ricas;
3. Mecanismo de N2O (óxido nitroso) intermédio, o qual desempenha um papel
importante na produção de NO em zonas com misturas pobres e baixas temperaturas;
10
4. Formação de NO via mecanismo do combustível, o qual é importante no caso de
combustíveis que possuam azoto na sua composição.
O mecanismo térmico e imediato são os principais responsáveis pela formação de NO durante
a combustão de hidrocarbonetos em ar, sendo que a sua importância relativa depende do
combustível e das condições do escoamento. No contexto das turbinas a gás os mecanismos
térmico e de N2O (óxido nitroso) intermédio são os mais relevantes.
Mecanismo térmico: O mecanismo de formação de NO-térmico ou de Zeldovich, assim
denominado em homenagem a Zeldovich, que foi o primeiro autor a estudar e reconhecer
quais as reacções fundamentais que controlam este mecanismo, é largamente dominante a
altas temperaturas (T > 1800 K). As principais reacções que constituem este mecanismo de
formação do NO são as seguintes:
O + N2 ↔ NO + N
(1.1)
N + O2 ↔ NO + O
(1.2)
N + OH ↔ NO + H
(1.3)
A reacção (1.1) apresenta uma elevada energia de activação, de modo a quebrar a ligação
tripla presente na molécula de azoto (N2), o que justifica a dependência exponencial que este
mecanismo apresenta da temperatura. É habitual ignorar a formação de NO via mecanismo
térmico para temperaturas inferiores a 1800 K. A formação de NO-térmico depende também
da concentração de oxigénio livre e do tempo de residência em zonas de temperaturas
elevadas (Miller e Bowman, 1989).
Mecanismo imediato: A formação de NO-imediato envolve uma sequência de reacções, que
se inicia pelas reacções rápidas de radicais de hidrocarbonetos com azoto molecular, as quais
conduzem à formação de amidas e cianos, que posteriormente reagem com oxigénio e levam à
formação de NO, por um processo semelhante à oxidação do azoto do combustível.
Experiências conduzidas por Blauwens et al. (1977) sugerem que os radicais CH e CH2 são os
que mais contribuem para o processo de formação de NO-imediato. De acordo com Miller e
11
Bowman (1989), a reacção entre o radical CH e N2 é a que mais contribui para a formação de
NO via mecanismo imediato. A sua taxa de reacção, no entanto, decresce rapidamente com a
temperatura a pressão constante. Por esta razão a formação de NO-imeditato é desprezável em
sistemas de combustão semelhantes ao utilizado no presente estudo, em particular, em
condições de queima pobre. Correa (1991) sugeriu que este mecanismo pode ser a principal
fonte das emissões de NOx em câmaras de combustão de pré-mistura pobres.
Mecanismo de N2O intermédio: A contribuição do mecanismo de N2O intermédio para a
formação de NO é, geralmente, pequena, excepto no caso de chamas pobres de pré-mistura
(φg < 0,8), portanto, caracterizadas por baixas temperaturas, Turns (2000).
Mecanismo do combustível: No presente trabalho o combustível utilizado não possui azoto
na sua composição não havendo, portanto, formação de NO por via do mecanismo do
combustível.
Em termos de controlo das emissões de NOx, os métodos disponíveis inserem-se em duas
categorias distintas:
•
alterações no processo de combustão;
•
métodos de pós-combustão.
Nos primeiros, o objectivo é controlar os fenómenos físico-químicos que estão na origem da
formação de NO sendo, portanto, soluções preventivas, enquanto os métodos de póscombustão representam soluções correctivas, menos interessantes do que os primeiros do
ponto de vista da gestão ambiental e filosofia de produção mais “limpa” (Coelho e Costa,
2007).
Os métodos de controlo das emissões de NOx que envolvem alterações no processo de
combustão visam essencialmente o controlo da temperatura e/ou da concentração de oxigénio
disponível na zona da chama de forma a minimizar a formação de NO térmico e,
consequentemente, a sua emissão sem, todavia, prejudicar o desempenho energético das
instalações. Outros métodos de controlo baseiam-se em evitar zonas quentes no escoamento e
o tempo disponível para a formação de NO deve ser o mínimo possível. Os principais
métodos de controlo das emissões de NOx são os seguintes:
12
Recirculação dos produtos de combustão: Consiste em reenviar parte dos produtos de
combustão, provenientes da câmara de combustão, para a zona da chama, geralmente
através do queimador, no qual são introduzidos juntamente com o ar de combustão e/ou
combustível. A recirculação dos produtos de combustão, por um lado aumenta a
capacidade térmica dos gases queimados para uma dada quantidade de energia libertada
na combustão, o que permite baixar a temperatura da combustão e, por outro lado, reduz
a disponibilidade de oxigénio na zona de reacção. Assim, este método é particularmente
apropriado para a redução das emissões de NOx em sistemas onde a formação de NO
ocorra predominantemente via mecanismo térmico, como é o caso das turbinas a gás.
Este método de controlo, revela-se, por si só, pouco eficaz no caso da queima de
combustíveis que possuam azoto na sua composição, devido à formação de NO via
mecanismo do combustível, o qual é praticamente independente da temperatura da
chama, embora dependente da concentração local de O2. Além disso, é ainda importante
referir que quando a taxa de gases recirculados atinge valores elevados (na maioria dos
casos superiores a 35-40%) a chama torna-se instável e as emissões de CO e HC
aumentam significativamente (Costa et al., 1996);
Injecção de água ou vapor de água: A injecção de água ou vapor de água na câmara de
combustão de um sistema de queima permite baixar a temperatura da combustão, sendo
este método também especialmente adequado para a redução de emissões de NOx em
sistemas onde a formação de NO ocorra predominantemente via mecanismo térmico. É
este o caso das turbinas a gás que operam geralmente a temperaturas e pressões
elevadas. Este método permite diminuir significativamente as emissões de NOx em
turbinas a gás. Porém, com o aumento da quantidade de água injectada as emissões de
CO aumentam consideravelmente, o que constitui um factor limitativo importante na
aplicação deste método de redução das emissões de NOx. Este método não deverá ser
aplicável a turbinas aeronaúticas, pois o peso da água tornar-se-ia penalizante;
Estagiamento do ar de combustão: É um processo em que o ar de combustão é
introduzido, regra geral, em dois estágios na câmara de combustão. No primeiro estágio
é introduzido apenas parte do ar de forma a estabelecer uma zona de combustão rica. O
ar necessário para completar a combustão é introduzido no segundo estágio, numa região
a jusante do queimador, onde se estabelece uma zona de combustão pobre. Este método
de controlo das emissões de NOx permite, por um lado, fasear a combustão reduzindo
13
simultaneamente a temperatura e a concentração de O2 no primeiro estágio. Por outro
lado, permite completar a combustão no segundo estágio em condições pobres e, como
tal, a temperaturas relativamente baixas. Nestas circunstâncias, no primeiro estágio tira-se partido da baixa formação de NO em condições ricas e, subsequentemente, no
segundo estágio, assegura-se a combustão completa em condições pobres, onde a
produção adicional de NO também é reduzida. A aplicação do estagiamento do ar de
combustão a sistemas que usem combustíveis com azoto na sua composição exige
cuidados redobrados, ou seja, o sucesso do método é influenciado pela volatilidade do
azoto presente no combustível, sendo benéfico que todo ele seja libertado no primeiro
estágio. É ainda necessário salientar que para valores do coeficiente de excesso de ar na
zona primária inferiores a 1 começa a observar-se os efeitos adversos deste método nas
emissões de CO;
Estagiamento do combustível e reburning: Ambos os processos envolvem o
estabelecimento de três zonas de reacção distintas ao longo da câmara de combustão. Na
primeira zona de reacção
é queimado
combustível
em
condições
pobres.
Subsequentemente, a jusante, na zona de reacção secundária é introduzida somente
combustível. Por fim, na zona de reacção terciária, é introduzido ar adicional para
permitir a queima dos fragmentos de combustível ainda presentes na câmara de
combustão. Estes dois métodos são semelhantes do ponto de vista conceptual, mas, no
entanto, no caso do estagiamento do combustível, o combustível introduzido na zona de
reacção secundária é uma parte do combustível fornecido ao sistema de queima em
funcionamento normal, enquanto no reburning o combustível secundário pode ser
diferente do combustível principal. Assim, o objectivo destes dois métodos passa por
promover na segunda zona a reacção entre o NO e os radicais CHi e limitar a reacção
entre o O2 e os radicais CHi. No reburning podem ser usados todos os tipos de
combustíveis gasosos, líquidos e sólidos como combustível secundário. Os
hidrocarbonetos gasosos foram identificados como os combustíveis secundários mais
eficazes na redução de NO devido ao teor mínimo de azoto que apresentam na sua
composição e, ainda, devido à sua capacidade para produzir radicais CHi activos (Bilbao
et al., 1997). O sucesso do estagiamento do combustível e reburning no controlo das
emissões de NOx é fortemente influenciado pelas condições que prevalecem na zona de
reacção secundária. Assim, a temperatura, a fracção de combustível secundário em
relação à carga térmica total (determina a estequiometria da zona secundária) e o tempo
14
de residência dos gases na zona secundária são parâmetros cruciais para a optimização
destes métodos;
Pré-misturas pobres: Este método permite suprimir fortemente a formação de NO via
mecanismo térmico à custa da redução efectiva dos valores máximos de temperatura nas
zonas de reacção na câmara de combustão de alguns sistemas de queima. Este método de
redução das emissões de NOx, revela grande potencial a curto trecho, particularmente
para o caso de aplicações de turbinas a gás (Cabot et al., 2004). Os resultados da intensa
investigação em curso nesta área parecem sugerir que este método pode restringir as
emissões de NOx a valores inferiores a 10 ppm, corrigidos para 3% de O2 nos produtos
de combustão, em equipamentos de combustão industriais tais como turbinas a gás
(Bowman, 1992). Refira-se, ainda, que a combustão de pré-misturas pobres como
método de diminuir as emissões de NOx é, de alguma forma, limitada pelo aparecimento
de instabilidades no processo de combustão que provocam elevadas flutuações de
pressão, as quais podem, por sua vez, provocar danos na turbina, extinção de chama e
emissões de CO.
Por outro lado, os métodos de pós-combustão incluem:
Redução não catalítica selectiva: Este método consiste em injectar aditivos químicos,
com azoto na sua composição, nos gases de exaustão de turbinas a gás. Os aditivos mais
comuns são amoníaco (NH3), ureia ([NH2]2CO) e ácido cianúrico ([HOCN]3). Ao serem
misturados com os produtos de combustão, estes aditivos iniciam uma sequência de
reacções homogéneas que, sob determinadas condições, reduzem o NO presente nos
produtos de combustão. Entre as variáveis críticas deste método encontra-se a
temperatura dos produtos de combustão, com o máximo da eficiência de redução de NOx
a ocorrer para valores em torno de 1250 K no caso do amoníaco e da ureia. Na realidade,
este método é efectivo somente num intervalo de temperaturas relativamente estreito
porque, por um lado, a temperaturas suficientemente elevadas o azoto presente nos
aditivos oxida e produz NO e, por outro lado, a baixas temperaturas as reacções que
ocorrem são incapazes de gerar radicais em número suficiente para assegurar a redução
do NO. Outras variáveis importantes que afectam a eficiência de redução das emissões
de NOx no presente método são as características do sistema de queima, o próprio
combustível, o tempo de residência na zona de temperatura óptima, a razão molar
15
aditivo/NO e a concentração de NOx inicialmente presente nos produtos de combustão,
entre outras;
Redução catalítica selectiva: Consiste num método de controlo das emissões de NOx
onde é usado um catalisador em conjunto com injecção de NH3 para reduzir os óxidos de
azoto presentes nos gases de exaustão. Assim, neste caso, as reacções de redução
ocorrem sobretudo sobre a superfície do catalisador. Em comparação com o método de
redução não catalítica selectiva abordado anteriormente, o presente método permite
maiores reduções nas emissões de NOx a temperaturas muito inferiores aos 1250 K,
embora a custos muito mais elevados. Na redução catalítica selectiva, o intervalo de
temperaturas óptimo dos produtos de combustão para assegurar elevadas reduções de
NOx situa-se entre 560 K e 670 K. Assim, este método fica restrito a sistemas que
possuam recuperadores de calor, normalmente caldeiras de recuperação (ver, por
exemplo, Davis e Washam, 1989). Com este método é possível conseguir, na prática,
eficiências de redução de NOx entre 80% e 90%.
1.2.3 – Estudos antecedentes em câmaras de combustão com baixas emissões de NOx
semelhantes à usada no presente trabalho
Os futuros sistemas de produção de energia, incluindo as turbinas a gás, terão que originar
emissões de NOx extremamente baixas, mantendo as eficiências de combustão em níveis
elevados numa larga gama de operação. A literatura da especialidade apresenta um
considerável número de alternativas e abordagens com vista a reduzir as emissões de NOx,
como é o caso da combustão de pré-misturas pobres e, mais recentemente, a combustão sem
chama visível, também denominado na literatura inglesa por flameless oxidation (FLOX®),
moderate or intense low oxygen dilution (MILD) combustion, high temperature air
combustion (HiTAC) ou colorless distributed combustion (CDC).
As câmaras de combustão de pré-mistura pobre são, presentemente, as únicas que poderão
apresentar, a breve prazo, emissões de NOx inferiores a 10 ppm (corrigidas a 15 % O2) em
aplicações práticas. A tecnologia denominado por DLN (dry-low NOx), que usa este princípio
de funcionamento, garante actualmente emissões de NOx inferiores a 9 ppm em turbinas a gás
alimentadas a gás natural em aplicações industriais. Neste tipo de câmaras de combustão
alimenta-se a zona de combustão com uma mistura homogénea de ar e combustível com uma
16
razão de equivalência perto do limite de extinção pobre. Quanto mais pequena for a margem
entre a combustão estável e a extinção da chama, menores serão as emissões de NOx.
Todavia, para atingir esses níveis de emissões de NOx é necessário que o combustível e o ar
se misturem de forma quase perfeita. Em condições de carga elevada, os problemas
associados à auto-ignição e ao retorno de chama têm de ser totalmente resolvidos antes de
aplicar a combustão com pré-mistura pobre a turbinas a gás em larga escala.
A combustão sem chama visível encontra-se entre as mais recentes e promissoras tecnologias
que permitem não só cumprir as rigorosas exigências de redução das emissões de poluentes
como aumentar a eficiência em equipamentos futuros de turbinas a gás. Este modo de
combustão é caracterizado por temperaturas moderadas na zona de reacção e ausência de
gradientes e flutuações da temperatura significativos no interior da câmara de combustão.
Assim, é possível evitar a formação de NO via mecanismo térmico, mesmo para temperaturas
de entrada do ar de combustão e razões de pressão relativamente elevadas, que são condições
essenciais para aumentar o rendimento termodinâmico dos motores. Neste caso, o principal
obstáculo é a necessidade de recircular grande parte dos produtos da combustão com baixas
concentrações de oxigénio, presentes no interior de um volume que em turbinas a gás se quer
restrito e para uma larga gama de condições de funcionamento. Deve ser realçado que a
recirculação dos produtos de combustão apenas através de processos aerodinâmicos (isto é,
sem recurso a meios mecânicos, tal como bombas ou compressores) é difícil.
Consequentemente, modelos bem sucedidos de câmaras de combustão com este propósito são
escassos e exibem (muitas) limitações a nível operacional.
Nestas circunstâncias, é lógico que ainda há grande necessidade de desenvolver métodos de
redução do NOx, de baixo custo, seguros, fiáveis e aplicáveis a uma vasta gama de condições
operacionais, especialmente para motores de alta eficiência e para pequenas turbinas a gás.
Neste contexto, começaram a surgir recentemente alguns tipos de câmaras de combustão, com
elevadas eficiências globais de combustão e baixas emissões de NOx que recorrem não só a
pré-misturas pobres ou à recirculação dos produtos de combustão, mas também a uma
combinação destes dois conceitos, originando assim novas tecnologias com elevado
desempenho a nível energético e ambiental. Os principais estudos antecedentes que envolvem
estes tipos de câmaras de combustão são revistos em seguida.
17
A recirculação dos gases de combustão é um método muito utilizado para reduzir as emissões
de NOx em diversas tecnologias de queima. O principal efeito da recirculação dos gases de
exaustão é a redução da concentração de oxigénio na zona da reacção química, existindo,
também, um efeito secundário associado à maior capacidade térmica dos gases, permitindo
assim, que a temperatura de chama diminua. Neste método é habitual considerar a taxa de
recirculação, KV, como sendo a razão entre o caudal mássico dos produtos de combustão
recirculados, m& pc , e a soma do caudal mássico de combustível, m& f , com o caudal mássico de
ar, m& ar , definida através da equação:
KV =
m& pc
m& f + m& ar
(1.4)
Porém, se a taxa de recirculação for elevada, tipicamente da ordem de 0,3 a 0,5 para
hidrocarbonetos, a chama torna-se instável, descola e acaba por se extinguir (blowout). De
acordo com Costa et al. (1996), o estabelecimento de condições estáveis em sistemas
industriais convencionais só se consegue habitualmente com valores de KV inferiores a 0,3.
Todavia, no início dos anos noventa, trabalhos de natureza experimental levados a cabo
simultaneamente na indústria, quer no Japão quer na Alemanha, e num laboratório na
Holanda (IFRF – International Flame Research Foundation), levaram à descoberta de que
uma elevada recirculação dos produtos de combustão, tipicamente uma taxa de recirculação
superior a 2, combinada com o pré-aquecimento do ar de combustão, de tal modo que a
temperatura dos reagentes exceda a temperatura de auto-ignição da mistura, produz um modo
de combustão estável. Em condições ideais, este modo de combustão ocorre sem chama
visível (flameless oxidation, na literatura inglesa), ver Wünning e Wünning (1997).
A Figura 1.3 mostra os limites de transição entre os diferentes modos de combustão em
função da taxa de recirculação. Como se pode observar, as chamas situadas na zona A são
estáveis para taxas de recirculação entre 30% e 50% dependendo da temperatura dos gases.
Com o aumento das taxas de recirculação, a partir da zona A, as chamas tornam-se instáveis
na zona B, podendo descolar do queimador ou mesmo extinguirem-se se a temperatura for
inferior à temperatura de auto-ignição. No entanto, a figura revela que se as temperaturas e as
taxas de recirculação forem suficientemente elevadas, o combustível reage de forma estável e,
em condições ideais, sem chama visível na zona C.
18
Figura 1.3 – Limites de estabilidade para os diferentes modos de combustão. A: chamas
estáveis; B: chamas instáveis; C: flameless oxidation (Wünning e
Wünning, 1997).
A principal característica do modo de combustão que ocorre na zona C, sem chama visível, é
a uniformidade do campo de temperaturas na zona de reacção, dado que as elevadas taxas da
recirculação dos gases de exaustão fazem, por um lado, diminuir consideravelmente a
temperatura máxima na zona de reacção e, por outro lado, eliminam quase na totalidade os
gradientes de temperatura típicos de chamas de difusão. Nestas circunstâncias, a formação de
NO via mecanismo térmico reduz-se significativamente, mesmo para temperaturas de préaquecimento do ar de combustão e razões de pressão elevadas, que são condições necessárias
e essenciais para aumentar o rendimento dos motores.
De acordo com Wünning e Wünning (1997), a Figura 1.4 ilustra esquematicamente o
processo idealizado para uma câmara de combustão operar sem chama visível,. Na região I, o
ar de combustão é misturado com os produtos da combustão. Após o processo de mistura se
completar, é adicionado o combustível na região II. Deste modo, a temperatura máxima será
(poderá ser) inferior a 1850 K, devido à presença de uma grande quantidade de inertes.
Finalmente, na região III, parte da energia é transferida para o exterior. Consequentemente, a
quantidade de NOx formada pelo mecanismo térmico é extremamente reduzida, mesmo para
temperaturas de pré-aquecimento do ar de combustão elevadas. As emissões de CO são
19
também muito baixas e o ruído emitido como resultado do processo de combustão é
drasticamente reduzido.
Ar de combustão
Calor de processo
Gases de exaustão
Combustível
Figura 1.4 – Representação esquemática do processo idealizado para uma câmara de
combustão operar sem chama visível (Wünning e Wünning, 1997).
A concretização prática deste processo idealizado pode ser conseguida através de dois
métodos distintos. Um dos métodos consiste em utilizar um queimador que possua duas
entradas de ar alternativas: uma que permite o funcionamento da câmara de combustão no
modo convencional, e outra que permite o funcionamento da câmara no regime sem chama
visível (modo de combustão C). Note-se que, com este sistema, é sempre necessário préaquecer a câmara de combustão, até temperaturas superiores à de auto-ignição da mistura
combustível, recorrendo a um processo de queima convencional. É ainda conveniente usar
chama piloto e excesso de ar no queimador principal. Este tipo de queimadores foram objecto
de estudo por parte de alguns investigadores, nomeadamente Wünning e Wünning (1997),
Vaz et al. (2004) e Flamme (2004), entre outros.
Vaz et al. (2004) investigaram o regime flameless oxidation num modelo laboratorial de uma
câmara de combustão, com vista a ser aplicada a micro turbinas a gás. O estudo mostrou que é
possível operar p´roxima desse regime numa gama de valores de coeficiente de excesso de ar
compreendida entre 1,25 e 1,75, desde que a temperatura média das paredes da câmara de
combustão e da vizinhança do queimador seja suficiente elevada (750 e 820º C,
respectivamente). Para atingir este regime para valores de coeficiente de excesso de ar
superiores a 1,6 é também necessário que a potência térmica seja superior a 80 kW. Os
20
resultados revelam ainda que níveis de CO e NO com um único dígito eram frequentemente
alcançados neste regime.
Flamme (2004) visou alargar a gama de aplicabilidade deste tipo de tecnologia envolvendo
vários tipos de queimadores aplicáveis a câmaras de combustão de turbinas a gás, semelhante
ao exibido na Figura 1.5a. Devido às elevadas taxas de recirculação, a temperatura máxima na
zona de reacção é mais baixa relativamente à registada na combustão convencional, o que
reduz consideravelmente a formação de NOx. As medidas efectuadas na zona de exaustão da
câmara de combustão, para potências térmicas compreendidas entre 20 e 30.kW num
queimador FLOX® utilizando como combustível gás natural, demonstraram que esta
tecnologia é bastante promissora, apresentando níveis de NOx entre 1 e 3.ppm e emissões de
CO inferiores a 10.ppm em condições pobres (.λ = 2 e 2,5), tal como ilustrado na Figura 1.5b.
a)
b)
Figura 1.5 – a) Representação esquemática do queimador típico de uma câmara de
combustão utilizando o princípio de flameless oxidation; b) Resultados das emissões de NOx
obtidos no estudo realizado por Flamme (2004).
O outro método para o estabelecimento de condições de combustão sem chama visível
consiste em utilizar câmaras de combustão cujas configurações permitam o estabelecimento
de zonas de recirculação onde é injectado o combustível. Neste tipo de câmaras de
combustão, o principal objectivo consiste em permitir que o ar de combustão seja diluído com
um caudal elevado de produtos recirculados antes de se misturar e reagir com o combustível,
de tal modo que a fracção mássica de oxigénio na zona de reacção é muito inferior à que se
teria sem diluição. Portanto, a temperatura da chama é também menor, o mesmo se
verificando com as flutuações de temperatura resultantes da turbulência do escoamento, ver
Levy et al. (2004) e Melo et al. (2009, 2010).
21
O trabalho desenvolvido por Melo et al. (2009, 2010) tem particular importância no presente
trabalho, pois aqui é utilizada a mesma câmara de combustão e essencialmente a mesma
instalação experimental. O trabalho de Melo et al. (2009, 2010) centrou-se no
desenvolvimento, teste e optimização de uma câmara de combustão (Figura 1.6), primeiro
envolvendo a caracterização de escoamentos sem reacção química e, depois, envolvendo
escoamentos com reacção química, nos quais se utilizou exclusivamente CH4 como
combustível. A câmara de combustão recorre a elevadas taxas de recirculação internas dos
produtos de combustão, promovida pela própria aerodinâmica interna da câmara. No processo
de desenvolvimento e optimização da câmara de combustão foram testadas várias
configurações (seis na totalidade), diferindo na geometria das entradas do ar de combustão e
nas dimensões dos orifícios das secções de entrada do ar de combustão e respectivo
alinhamento.
Figura 1.6 – Representação tridimensional das várias configurações utilizadas na câmara de
combustão estudada por Melo (2008).
As principais conclusões retiradas deste estudo foram:
• Nos escoamentos sem reacção química estabelece-se uma grande zona de recirculação
na câmara de combustão de todos os modelos, para todas as condições testadas. Para
cada modelo, os valores calculados para as taxas de recirculação, entre 0,4 e 1,
permanecem relativamente constantes, indicando que aquelas são essencialmente
função da geometria das entradas do ar de combustão;
• Todos os modelos da câmara de combustão estudados apresentam emissões de NOx
extremamente baixas, em geral, inferiores a 10 ppm corrigidas a 15% O2,
independentemente das condições experimentais. No entanto, as emissões de CO e
HC são, em geral, elevadas (em alguns casos típicos apresenta emissões de CO e HC
22
superiores a 1000 ppm e 200 ppm, respectivamente), revelando que a combustão é
pouco eficiente, o que impede a aplicação prática das presentes câmaras de
combustão no seu estado de desenvolvimento actual sem a consideração, por
exemplo, de uma câmara de combustão auxiliar. Contudo no modelo da câmara de
combustão que exibe melhor desempenho, verificam-se eficiências globais de
combustão superiores a 99% nos casos de operação da câmara de combustão com
valores de φg elevados;
• A caracterização detalhada do escoamento com reacção química do modelo que
apresenta melhor desempenho revelou que o campo de temperaturas é relativamente
uniforme, com diferenças na zona de reacção inferiores a 200 K, e temperaturas
máximas inferiores a 1850 K. Adicionalmente, as medidas das concentrações das
espécies químicas permitiram observar que nas regiões de temperaturas mais elevadas
as concentrações de O2 são relativamente baixas (inferiores a 7%), o que contribui
significativamente para impedir a formação de NO via mecanismo térmico.
Kowalewski (2006) efectuou um estudo isotérmico, numa câmara de combustão em tudo
idêntica à usada por Melo (2008), no qual foram testadas 3 configurações diferentes de
entrada do ar de combustão. Essa análise permitiu identificar quais as configurações que
originavam um escoamento mais eficiente, isto é, em que a maioria da mistura se dirigia para
a zona de recirculação. Na Secção 2.3.2 este estudo irá ser aprofundado com maior detalhe
(ver Figura 2.8 e Tabela 2.3).
Zinn et al. (2006a, 2006b) desenvolveram um conceito de câmara de combustão que
incorpora alguns aspectos das recentes abordagens desenvolvidas. Um importante atributo
desse novo projecto de câmara de combustão, denominada na literatura inglesa por Stagnation
Point Reverse Flow (SPRF) combustor, é a sua capacidade de queimar combustíveis líquidos
ou gasosos em condições de pré-mistura ou difusão, mantendo baixas emissões de poluentes.
Em contraste com a maioria das câmaras de combustão, em que os reagentes e os produtos da
combustão entram e saem da câmara através de extremidades opostas, na câmara de
combustão em que o principio SPRF é utilizado os reagentes e os produtos entram e saem da
câmara através da mesma extremidade. Na Figura 1.7 encontra-se representada a configuração
base da câmara de combustão SPRF utilizada e esquematizado o seu princípio de
funcionamento, recorrendo a uma combinação entre os conceitos de ponto de estagnação e
23
inversão do sentido de escoamento, o que proporciona elevadas taxas de recirculação internas
dos produtos de combustão. Deste modo, a geometria da câmara de combustão SPRF permite
operar com boa estabilidade em condições de elevado excesso de ar, produzindo emissões de
NOx muito baixas (da ordem de 1.ppm@15% O2), com as correspondentes emissões de CO
abaixo de 10 ppm@15% O2.
Figura 1.7 – Representação esquemática da câmara de combustão SPRF e das características
do escoamento na zona de reacção (Zinn et al., 2006a, 2006b).
Cabot et al. (2004) desenvolveram duas câmaras de combustão cilíndricas, modelos à escala
1:7 de uma câmara de combustão com baixas emissões de NOx, para compreender o
fenómeno de instabilidade que é típico no processo de combustão de pré-misturas pobres que
ocorrem em turbinas a gás com baixas emissões de NOx. Verificaram, para três posições
diferentes de injecção do ar primário de diluição, que o limite de extinção de chama pobre
ocorria para razões de equivalência extremamente baixas, e as emissões de poluentes (NOx e
CO) estabeleciam um compromisso entre si bastante aceitável, nomeadamente no caso em
que a injecção do ar de diluição era efectuada a 36 mm, em que as emissões de NOx eram
inferiores a 30 ppm e as de CO menores que 10 ppm (ver Figura 1.8a).
Hayashi et al. (2005a, 2005b) propuseram um conceito de câmara de combustão de dois
estágios para aplicação a turbinas a gás, de forma a atingir emissões de NOx extremamente
baixas e ao mesmo tempo combustão completa numa larga região de operação. A câmara de
combustão possui um primeiro estágio onde a queima ocorre em condições de pré-mistura
pobre, e um segundo estágio onde o ar de diluição é injectado nos gases de exaustão
24
originados pelo primeiro estágio, também em condições pobres. As características da
combustão e suas respectivas emissões foram obtidas para temperaturas de entrada de ar de
600.K e pressão de 0,8.MPa, para dois diferentes tipos de injectores. Os resultados mostram
que elevados valores de eficiência de combustão são alcançados enquanto as emissões de NOx
se mantém num único dígito, e essa tendência verifica-se para uma vasta gama de razão de
equivalências (Figura 1.8b).
Figura 1.8 – Emissões de poluentes (NOx e CO) e eficiência de combustão: a) Cabot et al.
(2004); b) Hayashi et al. (2005a, 2005b).
Steele et al. (2003) testaram uma configuração de câmara de combustão (Figura 1.9), TVC
(trapped vortex combustor), em condições de pré-mistura pobre. Os autores utilizaram como
combustível metano e os ensaios foram realizados a pressões e temperaturas de entrada da
mistura elevadas e em condições de excesso de ar representativa de aplicações a turbinas a
gás. Inicialmente os testes foram realizados unicamente utilizando o corpo não fuselado
(Figura 1.9). O processo de estabilização de chama aí ocorrido consistia no estabelecimento
de vórtices na zona a jusante do corpo, o que permitia que a mistura dos reagentes a montante
do corpo fosse arrastada para a zona de recirculação onde se misturava com o fluido
recirculado. Neste caso, eficiências de combustão superiores a 99% eram frequentemente
alcançadas, mas emissões elevadas de CO, em alguns ensaios, não tornavam a combustão
competitiva. De seguida estes investigadores testaram o conceito TVC, que permitia
estabelecer zonas de recirculação (vórtices) entre o corpo não fuselado e o módulo do TVC
(Figura 1.9), promovendo assim o aumento da intensidade de turbulência. Nesta abordagem,
foram obtidas emissões de NOx e CO inferiores a 10 ppm (corrigidas a 15% O2 em base seca)
e elevadas eficiências de combustão (> 99,9%). Os resultados apresentados revelam grande
25
potencial para aplicação do conceito do TVC em pré-misturas pobres em motores de turbinas
a gás industriais.
Figura 1.9 – a) Vista superior do TVC (trapped vortex combustor); b) escoamento previsto
na cavidade superior do TVC (Steele et al., 2003).
Szegö et al. (2008) desenvolveram uma câmara de combustão experimental que recorre ao
princípio designado por combustão MILD, em que a entrada dos reagentes e a saída dos
produtos da combustão se efectuava pela mesma extremidade da câmara (Figura 1.10),
conceito semelhante ao utilizado por Zinn et al. (2006a, 2006b). Para uma potência térmica de
20.kW verificaram que, na generalidade das condições de ensaio, as emissões de NOx se
encontravam entre 5 e 66 ppm (corrigidas a 3% O2) para temperaturas da câmara de
combustão até 1370 ºC.
Figura 1.10 – Representação esquemática da câmara de combustão e da aerodinâmica do
escoamento no trabalho realizado por Szegö et al. (2008).
26
1.2.4 – Enriquecimento do combustível com hidrogénio
O problema energético resultante do aumento crescente do consumo de energia a nível
mundial, da diminuição das reservas de combustíveis fósseis e da sua concentração em
determinados países, e o problema ambiental, associado à emissão de poluentes e às
mudanças climáticas resultantes de processos de queima de combustíveis fosseis, têm
motivado grande empenho na procura de soluções energéticas alternativas, tais como as
energias renováveis. O hidrogénio tem sido apontado como uma solução potencial para
ultrapassar o dilema energético e o problema ambiental que lhe está associado, através da
utilização de pilhas de combustível ou, a longo prazo, da fusão nuclear.
A questão económica é o principal obstáculo a uma maior utilização do hidrogénio como
combustível. De facto, o hidrogénio não se encontra no nosso planeta na forma bimolecular,
directamente utilizável. Assim, tem de ser obtido a partir de outras fontes de energia, tais
como os combustíveis fosseis, as energias renováveis ou a energia nuclear. A produção de
hidrogénio a partir da água, por electrólise, é um processo economicamente dispendioso. Do
mesmo modo, a utilização de energias renováveis ou de energia nuclear não é viável, em larga
escala, a curto ou médio prazo. A curto prazo, a única alternativa exequível é a produção de
hidrogénio a partir de combustíveis fósseis, particularmente do gás natural. Mas com a
tecnologia actual é mais caro produzir hidrogénio do que outros combustíveis. Além disso, a
produção de hidrogénio a partir de combustíveis fósseis origina gases com efeito de estufa.
Outros problemas associados à utilização de hidrogénio são a inexistência de uma infraestrutura adequada à sua distribuição, a dificuldade de armazenamento e os riscos inerentes ao
seu armazenamento, distribuição e utilização. A dificuldade de armazenamento advém do
baixo poder calorífico por unidade de volume, o que obriga a comprimir o hidrogénio a
pressões elevadas ou a liquefazê-lo, o que é energeticamente dispendioso. Há ainda que ter
em conta a aceitação pelos consumidores de uma nova tecnologia que lhes é desconhecida.
Todavia, o hidrogénio apresenta muitos benefícios potenciais. Assim, a utilização de
hidrogénio permite reduzir a dependência energética do petróleo, dado que os transportes
poderão funcionar com pilhas de combustível. As emissões de poluentes e de gases de estufa,
em particular do CO2, seriam drasticamente reduzidas, especialmente se o hidrogénio não for
produzido a partir de combustíveis fósseis. A eficiência energética das pilhas de combustível
é bastante superior à dos processos de combustão convencionais. Finalmente, o hidrogénio
27
pode ser utilizado em diferentes aplicações, incluindo a produção de energia eléctrica e
transportes. Em seguida é discutida a possível aplicação do hidrogénio em câmaras de
combustão de turbinas a gás.
Como já se referiu, a combustão de gás natural em chamas de pré-mistura e especialmente em
condições com elevado excesso de ar tem recebido recentemente muita atenção, como
resultado das baixas temperaturas de chama que permite a consequente diminuição das
emissões de NOx. Mais recentemente têm sido desenvolvidas câmaras de combustão de prémistura pobre que operam perto do limite de extinção de chama devido à actual legislação que
requer baixas emissões de poluentes. No entanto, perto do limite inferior de flamabilidade a
estabilidade de chama decresce e a extinção pode ocorrer. Além disso, chamas em condições
pobres podem originar problemas tais como baixas eficiências de combustão, instabilidades
acústicas na combustão e elevados níveis de emissões de CO e HC. Uma solução prática de
modo a superar essas dificuldades, na combustão de gás natural ou metano, é a adição ainda
que em pequenas quantidades de combustíveis mais reactivos, tais como o hidrogénio. A
elevada taxa de reacção do hidrogénio (a velocidade de propagação da chama do H2 é 5 vezes
superior à do CH4 à pressão atmosférica) é uma propriedade intrínseca desse gás, e quando
em combinação com elevadas intensidades turbulentas produz uma combustão mais rápida e
intensa, comportamento esse que se torna ainda mais interessante no caso de combustão em
condições pobres.
Apesar das características da adição de hidrogénio serem bem compreendidas na teoria, a sua
aplicação prática em câmaras de combustão ainda é limitada, devido às significantes
alterações que o hidrogénio provoca na zona de reacção. Especificamente, a recirculação
originada no escoamento é afectada pela intensidade da rotação do ar e pela taxa de reacção
do combustível. Esses dois parâmetros, entre outros, desempenham um papel determinante
nas características térmicas da zona de reacção, influenciando consequentemente as emissões
de NOx através do mecanismo térmico.
A adição de pequenas quantidades de hidrogénio ao combustível influencia os processos
químicos e físicos que ocorrem em chamas. Alguns estudos disponíveis na literatura
centraram-se na análise dos efeitos da adição de H2 a outros combustíveis (geralmente
hidrocarbonetos), com o objectivo de analisar o impacto da adição de hidrogénio nas
propriedades químicas, estabilidade de chama, emissão de poluentes, eficiência de combustão
28
e outros importantes factores. Os parágrafos seguintes resumem alguns estudos relevantes das
consequências do enriquecimento do combustível com hidrogénio, nomeadamente na
estabilidade de chama e na emissão de poluentes.
Clayton (1976) levou a cabo uma investigação em turbinas a gás aeronáuticas, no qual
utilizou misturas combustíveis que continham percentagens volúmicas de H2 superiores a
15% de H2, e verificou que o limite de extinção de chama ocorria para condições bastante
pobres o que correspondia a reduções nas emissões de NOx (inferiores a 10 ppm@15% O2),
enquanto as emissões de CO e HC eram aceitáveis. Morris et al. (1998) observaram também
uma melhoria nos limites de estabilidade de chama resultante da adição de H2 numa câmara
de combustão alimentada a gás natural. As misturas de combustível com uma composição
volúmica de H2 superior a 10% mostraram reduções das emissões de CO com o acréscimo de
hidrogénio em condições pobres, e menores emissões de NOx para um dado nível de CO.
Estudos efectuados por Yang et al. (1998) e Phillips (1999), em que foram introduzidas
pequenas quantidades de hidrogénio em turbinas a gás de centrais termoeléctricas concluíram
que a adição de H2 neste tipo de câmaras de combustão pode ser aplicada para melhorar o seu
desempenho.
Schefer (2003) verificou os efeitos da adição de H2 na estabilidade de chamas de pré-mistura
em condições pobres. A configuração do seu queimador encontra-se esquematizada na Figura
1.11. Este investigador observou que a adição de H2 resultou na extensão significativa do
limite de estabilidade pobre (limite inferior de flamabilidade), o que permitiu ao queimador
operar num regime estável a temperaturas inferiores, originado assim uma redução nas
emissões de NOx.
Juste (2006) investigou a adição de pequenas quantidades de H2, como combustível adicional,
num queimador de uma turbina a gás tipicamente alimentada a hidrocarbonetos, como forma
de reduzir as emissões de poluentes. Em condições de carga máxima, empobrecer a zona
primária da câmara de combustão, aumentando o ar primário, revelou-se um método eficiente
de reduzir as emissões de NOx, mas a custo da diminuição da eficiência de combustão, pois as
emissões de CO e HC aumentam. A injecção de pequenas quantidades de H2 (até 4%) na zona
primária, pré-misturado com o ar permitiu reduzir as emissões CO em cerca de 30% sem
aumento relevante das emissões de NOx. A redução de CO é principalmente resultado da
cinética química. Noutra perspectiva, registou-se uma diminuição dos níveis de NOx,
29
enquanto os níveis de CO e HC permaneceram aproximadamente constantes. Além disso, a
adição de pequenas porções de hidrogénio contribui substancialmente para a redução das
emissões de CO2 por efeito de substituição. Como o poder calorífico do hidrogénio é superior
ao dos combustíveis fósseis, se for mantida a mesma potência térmica na câmara de
combustão, a redução dos hidrocarbonetos e, por consequência, das emissões de CO2 é tão
relevante quanto a percentagem de H2 na mistura combustível.
Figura 1.11 – Esquema experimental do queimador e câmara de combustão utilizados por
Schefer (2003).
Strakey et al. (2007) investigaram os efeitos da adição de hidrogénio na extinção de chama
numa câmara de combustão alimentada a gás natural e a operar em regime pobre com chamas
de pré-mistura, representada na Figura 1.12. Estes investigadores verificaram que o aumento
da concentração de hidrogénio na mistura de 0 para 80% reduzia a razão de equivalência na
extinção de φg = 0,46 para φg = 0,3 (ver Figura 1.13). A pressão na câmara de combustão
revelou ter pouca influência nas medidas, enquanto o aumento de velocidade entre 40 e 80
m/s permitiu aumentar o valor de φg na extinção em cerca de 0,05.
Yilmaz e Ilbas (2008) estudaram um escoamento turbulento com reacção química em que as
distribuições de temperatura no interior da câmara de combustão e as emissões dos gases à
saída da câmara foram apresentadas para várias misturas de hidrogénio/metano. Realizaram
experiências para duas razões de equivalência (φg = 0,83 e 0,59), duas potências térmicas
30
(40.kW e 60 kW) e duas misturas de hidrogénio/metano (30% H2/70% CH4 e 70% H2/30%
CH4). Verificaram que as misturas de H2/CH4 podiam ser utilizadas com sucesso, sem
qualquer modificação importante no queimador de gás natural e que as emissões de CO
diminuíam quando o teor de hidrogénio na mistura aumentava.
Figura 1.12 – Representação esquemática da câmara de combustão usada por Strakey et al.
(2007) e do escoamento no seu interior.
Figura 1.13 – Diagrama de estabilidade das misturas estudadas por Strakey et al. (2007) para
várias composições volúmicas de H2 na mistura.
Burbano et al. (2008) analisaram os efeitos da adição de hidrogénio na estrutura da chama e
nas emissões de CO em dois queimadores atmosféricos. Os autores usaram quatro misturas
31
(100% CH4, 2% H2/98% CH4, 6% H2/94% CH4 e 15% H2/85% CH4), tendo observado, em
ambos os queimadores, para duas condições de funcionamento distintas, um considerável
decréscimo nas emissões de CO com o aumento da percentagem de H2 na mistura. Esse
comportamento foi atribuído ao aumento da concentração do radical OH, que promove a
oxidação de CO em CO2.
Acharya et al. (2009) projectaram uma câmara de combustão laboratorial, para operar com
chamas de pré-mistura, de forma a estudar os efeitos do aumento de hidrogénio na
composição do combustível nas emissões de NOx, começando a análise com 100% metano.
Mantendo constantes a razão de equivalência e o caudal volúmico e aumentando a fracção
volúmica de hidrogénio na mistura, verificou-se um acréscimo nas emissões de NOx tal como
mostra a Figura 1.14. Apesar da adição de hidrogénio aumentar as emissões de NOx, para um
dado valor da razão de equivalência, a adição de hidrogénio permite também operar em
condições mais pobres e, consequentemente, com emissões de NOx reduzidas, pois para
valores de φg baixos a temperatura adiabática de chama é inferior.
φg
Figura 1.14 – Índice de emissão de NOx em função da razão de equivalência para várias
percentagens de hidrogénio na mistura.
Gupta et al. (2009a, 2009b) analisaram os efeitos da adição de hidrogénio em chamas de prémistura com o auxílio de uma câmara de combustão alimentada a metano (Figura 1.15). Os
resultados mostram que o limite de estabilidade pobre e as emissões de NOx aumentam com a
adição de hidrogénio. As emissões de NOx podem, todavia, ser reduzidas aumentando o
32
excesso de ar. Para as mesmas condições de funcionamento, foram efectuadas comparações
entre as emissões de NOx resultantes de chamas de pré-mistura enriquecidas com hidrogénio e
chamas de difusão, tendo-se verificado que as emissões de NOx em chamas de pré-mistura
são inferiores às correspondentes em chamas de difusão, principalmente em regiões com
valores de φg baixos. Os resultados mostram ainda que a maior taxa de reacção do hidrogénio
facilita as reacções químicas, tornando-as mais rápidas, aumenta a temperatura na zona de
reacção, reduz a taxa de recirculação do escoamento e origina uma redução do tempo de
residência dos produtos de combustão na zona de reacção onde se registam temperaturas mais
elevadas.
Figura 1.15 – Equipamento experimental utilizado por Gupta et al. (2009a, 2009b).
Cabot et al. (2009) compararam os domínios de estabilidade e as emissões de poluentes da
combustão com e sem adição de H2. Para tal efectuaram testes numa câmara de combustão
para turbinas a gás alimentada com uma mistura querosene/ar em condições pobres (Figura
1.16).
Figura 1.16 – Sistema de injecção de combustível e câmara de combustão utilizados nos
ensaios por Cabot et al. (2009).
33
Os principais resultados obtidos por Cabot et al. (2009) foram os seguintes:
•
Como se pode observar na Figura 1.17, a injecção de hidrogénio em pequenas
quantidades prolonga o limite de estabilidade inferior.
Figura 1.17 – Análise da estabilidade através de imagens de quimiluminescência do radical
CH.
•
Para um dado valor φg, as emissões de NOx são totalmente independentes do
enriquecimento da mistura com hidrogénio e da potência térmica, sendo tipicamente
tanto mais baixas quando menor for a razão de equivalência (para φg.<.1).
Contrariamente, as emissões de CO são sensíveis à adição de H2. Perto da extinção, no
limite pobre, as emissões de CO aumentam significativamente devido às elevadas
instabilidades registadas na combustão, o que provoca uma diminuição na eficiência
de combustão.
•
Para uma dada potência térmica, as emissões de NOx e CO diminuem ligeiramente
com o aumento da quantidade de H2 adicionada à mistura.
1.2.5 – Diluição do combustível com dióxido de carbono
Existem na literatura alguns trabalhos que examinaram os efeitos no processo de combustão
da diluição do combustível com CO2. Esta diluição pode afectar consideravelmente as
características do escoamento e das reacções químicas na região onde ocorre a combustão e
34
conduzir a alterações significativas na estrutura e estabilidade da chama, assim como nas
emissões de poluentes tais como NOx, CO e fuligem.
Saito et al. (1996) e Bae et al. (2002) examinaram os efeitos da diluição do combustível com
CO2 sobre a estabilidade da chama e comportamento perto da extinção numa chama de jacto
laminar. Lee et al. (2000) estudaram os efeitos da inclusão de CO2 no caudal de oxidante na
estrutura de chama e formação de NOx em chamas de difusão de CH4/ar. Liu et al. (2001)
estudaram os efeitos da diluição do combustível com na formação de fuligem e de NOx em
chamas de difusão de etileno. Muito recentemente, Szekö et al. (2009) desenvolveram uma
fornalha (ver Figura 1.10) que funciona em condições de combustão com elevado nível de
diluição dos reagentes e baixas concentrações de oxigénio na zona de reacção, designada por
combustão MILD. No que respeita à introdução de CO2 na mistura combustível, os autores
mostraram que a diluição tem um efeito significativo na diminuição das emissões de NOx.
1.3 – Contribuição do Presente Trabalho
O número de trabalhos referidos na secção anterior deixa bem claro o crescente esforço de
investigação no sentido de reduzir as emissões de poluentes provenientes de câmaras de
combustão de turbinas a gás. Em resultado desse esforço têm surgido novas câmaras de
combustão que apresentam elevadas eficiências térmicas e baixas emissões de poluentes, mas
que, em geral, possuem uma complexidade mecânica assinalável e, em alguns casos, no que
respeita às emissões de NOx, ainda revelam dificuldades em cumprir a legislação ambiental.
A câmara de combustão utilizada no presente trabalho procura ser uma alternativa credível, às
câmaras de combustão existentes, concretamente de aplicação prática futura em turbinas a gás
em aplicações aeronáuticas ou de centrais termoeléctricas. A presente câmara de combustão
recorre a elevadas taxas internas de recirculação dos produtos de combustão com a finalidade
de manter as temperaturas no interior da câmara de combustão moderadas e relativamente
uniformes, o que permite inibir a formação de NO via mecanismo térmico, garantindo,
consequentemente, níveis de NOx muito baixos. Esta câmara de combustão encontra-se já
bem caracterizada para a queima de metano, Melo et al. (2009, 2010). Este trabalho pretende
contribuir para uma maior aplicabilidade da presente câmara de combustão, sendo o seu
principal objectivo avaliar o efeito da adição de H2 e CO2 ao combustível base (CH4) no
desempenho energético e ambiental dessa mesma câmara de combustão, existente no
35
Laboratório de Combustão do Instituto Superior Técnico. É importante ainda realçar o facto
dos presentes ensaios terem sido realizados à pressão atmosférica, sabendo-se que, em
princípio, o valor da pressão na câmara de combustão influência as emissões de poluentes.
Especificamente, os principais contributos deste trabalho para a presente área de investigação
são os seguintes:
Avaliar as emissões de poluentes, nomeadamente NOx, e as eficiências de combustão
para nove misturas de combustível contendo composições volúmicas diversas de CH4,
H2 e CO2, com uma potência térmica constante de 4.kW, numa câmara de combustão
que recorre a elevadas taxas internas de recirculação dos produtos de combustão. Esta
análise foi efectuada para várias condições de operação da câmara de combustão;
Analisar a influência nas emissões de poluentes e nas eficiências de combustão
resultante da aplicação de pré-mistura às várias misturas de combustível;
Identificar a(s) zona(s) de operação da câmara de combustão onde o seu desempenho é
superior em termos de baixas emissões de NOx e elevadas eficiências de combustão;
Estudar o efeito da velocidade de entrada do ar no desempenho da câmara de
combustão para quatro configurações distintas do modelo da câmara de combustão.
1.4 – Organização da Tese
A presente tese está organizada em quatro capítulos, dos quais o presente constitui a
introdução. O capítulo 2 descreve detalhadamente a instalação e as técnicas experimentais
utilizadas no presente trabalho. Neste capítulo, são ainda abordadas as incertezas
experimentais relacionadas com os resultados obtidos. O capítulo 3 é dedicado à apresentação
e discussão dos resultados, sendo esta análise dividida em duas partes distintas: 1) influência
da composição do combustível no desempenho da câmara de combustão e 2) influência da
velocidade do ar no desempenho da câmara de combustão. Inicialmente, neste capítulo, é feita
uma apresentação dos princípios básicos de funcionamento da câmara de combustão estudada.
Por fim, no capítulo 4, encontram-se resumidas as principais conclusões deste trabalho, assim
como algumas recomendações para trabalhos futuros.
36
2 – Instalação e Técnicas Experimentais
2.1 – Introdução
Este capítulo é dedicado à descrição da instalação e das técnicas experimentais utilizadas na
caracterização experimental da câmara de combustão para aplicação a turbinas a gás. A
caracterização experimental envolveu a utilização de analisadores de gases para medir as
concentrações das principais espécies químicas gasosas na exaustão da câmara de combustão
e, ainda, termopares para monitorizar as temperaturas do ar à entrada da câmara de combustão
e dos produtos de combustão na sua exaustão.
2.2 – Instalação Experimental
A Figura 2.1 apresenta esquematicamente a instalação experimental, incluindo o
pleno/câmara de combustão e o equipamento auxiliar utilizado. A câmara de combustão,
ilustrada na Figura 2.2, e descrita em detalhe na secção 2.3, consiste numa secção circular de
60º à escala real relativamente à câmara de combustão completa (ou seja, 1/6 de uma câmara
de combustão de uma turbina a gás). As paredes laterais, construídas em aço inoxidável, têm
janelas de quartzo polido adequadas para aplicações ópticas em ambientes com elevadas
temperaturas. Aquando da montagem e preparação da câmara de combustão para os ensaios
era colocada lã de vidro entre as superfícies de contacto das paredes e das janelas de quartzo,
minimizando assim as trocas de calor com a envolvente.
Figura 2.1 – Representação esquemática da instalação experimental.
37
Figura 2.2 – Imagens do pleno e da câmara de combustão.
A câmara de combustão foi instalada dentro de um pleno principalmente por motivos de
segurança (ver Figura 2.2). O pleno apresenta duas janelas alinhadas com o acesso óptico da
câmara de combustão que permitem aceder visualmente ao seu interior. As janelas são,
também, de quartzo polido, adequadas para aplicações ópticas em ambientes com elevadas
temperaturas. Tal como esquematizado na Figura 2.1 e é visível nas Figuras 2.2 e 2.3, o pleno
contêm várias entradas independentes que permitem a passagem do ar que alimenta a câmara
de combustão (ar 1), do combustível e dos cabos eléctricos necessários para a ignição. Além
disso, o pleno encontra-se envolto num revestimento em manta cerâmica de lã de vidro e
papel de alumínio (ver Figura 2.3), permitindo assim um melhor isolamento térmico.
O ar que alimenta a câmara de combustão é fornecido por um ventilador radial. O ar, antes de
entrar no pleno e, posteriormente, na câmara de combustão, passa por um tubo de secção
circular construído em aço inoxidável, seguindo para o pleno por duas entradas distintas
diametralmente opostas. O caudal de ar 1 é medido através de um orifício calibrado, instalado
a montante do ventilador, em que o erro máximo é de 2%. Na linha de ar 1, à entrada do
pleno, encontram-se instalados um manómetro de pressão e um termopar do tipo K.
O caudal de combustível é medido com o auxílio de vários rotâmetros/caudalimetros,
devidamente calibrados, consoante a composição da mistura escolhida, representados na
38
Figura 2.4 e caracterizados na Tabela 2.1. O ar de pré-mistura (ar 2) é fornecido por um
compressor, a 3 bar antes de passar pelo rotâmetro. Os restantes gases são fornecidos a partir
de garrafas da AIR LIQUIDE com um elevado grau de pureza (99,9%). Após cada rotâmetro,
havia na linha um manómetro de pressão e um termopar do tipo K para possibilitar a eventual
necessidade de correcção do valor do caudal.
Figura 2.3 – Revestimento do pleno e tubo de entrada do ar 1.
a)
b)
Figura 2.4 – Medidores de caudal utilizados.
39
Tabela 2.1 – Descrição dos medidores de caudal utilizados.
Equipamento
Caudalímetro
metano
Figura 2.4
Rotâmetro ar 2
Caudalímetro
hidrogénio
Rotâmetro
hidrogénio
Rotâmetro
dióxido de
carbono
Marca-Modelo
OMEGA
FMA 1700/1800
Gama de Operação
a) Ar
Fischer & Porter
0 – 40 SLM
b)
OMEGA
FMA 1700/1800
0 – 10,40 SLM
a) Gás 1
Fischer & Porter
1,86 – 11,38 SLM
a) Gás 2
Fischer & Porter
0,72 – 5,37 SLM
b)
0 – 7,38 SLM
Erro
+/-1,5% da
escala de leitura
+/-0,6% da
escala de leitura
+/-1,5% da
escala de leitura
+/-3,1% da
escala de leitura
+/-2,8% da
escala de leitura
**SLM (standard liter per minute): condições a T = 21 ºC e p = 1.01325 bar.
2.3 – Descrição Detalhada da Câmara de Combustão
2.3.1 – Modelo A – Efeito da composição do combustível
Como referenciado anteriormente, a câmara de combustão consiste numa secção circular de
60º à escala real relativamente à câmara de combustão completa. A Figura 2.5 mostra o corte
longitudional da câmara de combustão em estudo e as suas principais dimensões. O
combustível gasoso é injectado na câmara de combustão através de 15 injectores, cada um
com 2 mm de diâmetro interno e espaçamento de 2 mm entre eles, fazendo um ângulo de 45º
relativamente ao eixo dos r, tal como representado na Figura 2.5.
Figura 2.5 – Corte longitudinal do modelo da câmara de combustão (Modelo A).
40
As Figuras 2.6 e 2.7 mostram uma representação tridimensional do modelo A e a imagem das
entradas de ar do modelo A, respectivamente. A designação de configuração A aqui usada
deve-se simplesmente ao facto de este ter sido o primeiro modelo da câmara de combustão a
ser testado no presente trabalho, sendo que para a designação das seguintes configurações
seguir-se-á a ordem alfabética. Todas as dimensões relevantes do modelo A encontram-se
indicadas na Figura A1.1 do Anexo A. Neste modelo, o ar 1 é fornecido à câmara de
combustão através de 14 orifícios, em cada secção de entrada (84 numa câmara de combustão
perfazendo 360º), cada com um diâmetro de 6 mm. As secções de entrada do ar 1 à esquerda e
à direita apresentam inclinações relativamente ao eixo dos r de 210º e 120º, respectivamente
(ver Figura 2.5). Refira-se, ainda, que os orifícios localizados em ambas as secções de entrada
do ar 1 se encontram desfasados.
Figura 2.6 – Representação tridimensional do modelo A da câmara de combustão.
Figura 2.7 – Imagem das entradas de ar do modelo A.
41
Inicialmente foi estudada a influência do combustível, usando o modelo A da câmara de
combustão. O caudal de ar 1 fornecido através de cada uma das secções de entrada é idêntico,
não se registando diferenças significativas nas perdas de carga nas secções opostas, ou seja, o
caudal de ar 1 total admitido é dividido em duas partes iguais, antes de entrar no interior
câmara de combustão.
2.3.2 – Modelos A, B, C e D – Efeito da velocidade do ar
De seguida, o trabalho centrou-se no estudo da influência da velocidade do ar no desempenho
energético e ambiental da câmara de combustão. Note-se que Melo (2008) centrou-se no
desenvolvimento e optimização da presente câmara de combustão, estudando várias
configurações e modelos distintos, mas em que as diferenças se situaram somente na
geometria das entradas de ar 1. Melo (2008) verificou que os vários modelos testados
possuíam diferenças marginais nas emissões de NOx, em geral inferiores a 10 ppm, havendo
apenas alguma influência na eficiência de combustão. O modelo usado no presente trabalho
(modelo A) foi escolhido por ser dos que apresentava melhores desempenhos e por permitir
bloquear os orifícios de entrada de ar 1 de forma adequada, mais prática e propícia ao estudo
que se pretendia aqui efectuar.
Assim, foram obstruídos parte dos orifícios de entrada de ar em ambas as secções com uma
massa isolante/vedante resistente a elevadas temperaturas (superiores a 850.ºC). A diferença
entre a configuração de base e as restantes situa-se no número de orifícios obstruídos nas
secções de entrada do ar 1. A Tabela 2.2 indica as várias configurações testadas, sendo que o
círculo cheio significa entrada de ar bloqueada e circulo vazio entrada de ar aberta. Refira-se
que nestes ensaios foi usado como combustível metano.
Tabela 2.2 – Configurações utilizadas no estudo da influência da
velocidade do ar no desempenho da câmara de combustão.
Entrada de ar ( total = 14 orifícios × 2 secções)
Configuração
Left inlet
Right inlet
A
oooooooooooooo
oooooooooooooo
B
o●o●o●o●o●o●o●
o●o●o●o●o●o●o●
C
oooooooooooooo
●●●●●●●●●●●●●●
D
o●o●o●o●o●o●o●
●●●●●●●●●●●●●●
42
A forma de obstrução dos orifícios de entrada de ar 1 dos modelos C e D tem como base o
estudo efectuado por Kowalewski (2006). A Figura 2.8 mostra imagens do escoamento para
três configurações distintas, enquanto a Tabela 2.3 apresenta as velocidades de entrada de ar
nessas configurações. Tal como se pode observar, quando a entrada de ar é efectuada
unicamente através da entrada do lado direito (configuração 2) verifica-se que parte do
escoamento não se dirige para a zona de recirculação (zona de combustão principal), mas sim
(grande parte) para a exaustão da câmara de combustão. As configurações que originam um
escoamento mais eficiente (isto é, em que a maioria da mistura se dirige para a zona de
recirculação da câmara de combustão) são a configuração 1 (ambas as entradas de ar abertas)
e a configuração 3 (entrada de ar efectuada unicamente através da entrada do lado esquerdo).
Deste modo, a configuração 1, estudada por Kowalewski (2006), corresponde às
configurações A e B utilizadas no presente trabalho, enquanto a configuração 3 corresponde
às configurações C e D.
Configuração 1 (↔ A, B)
Configuração 2
Configuração 3 (↔ C, D)
Figura 2.8 – Estrutura do escoamento para três configurações distintas (Kowalewski, 2006).
Tabela 2.3 – Velocidades registadas na entrada
de ar nas 3 configurações estudadas (Kowalewski, 2006).
Configuração
var (m/s)
Left inlet
Right inlet
1
10
10
2
—
20
3
17
—
43
2.4 – Operação e Procedimento Experimental
Em primeiro lugar é necessário montar a câmara de combustão com o modelo da câmara de
combustão pretendido. O passo seguinte consiste na colocação da câmara de combustão no
interior do pleno, sendo efectuadas as ligações internas do combustível e dos cabos da
ignição. O pleno é completamente selado (tampa inferior e chaminé de exaustão) e o sistema
de exaustão da câmara de combustão ligado ao sistema de exaustão do laboratório através de
um tubo de aço inoxidável flexível. De seguida, é ligado o sistema de exaustão e o ventilador
do ar 1 (ar de combustão) para se realizar uma purga da câmara de combustão durante
aproximadamente 5 minutos.
Depois da purga, inicia-se o aquecimento do ar de combustão e, consequentemente, da câmara
de combustão até uma temperatura estável, tipicamente entre 70ºC e 80ºC, com esta a ser
monitorada através de um termopar do tipo K. De seguida, inicia-se a alimentação de gás
natural à câmara de combustão. A alimentação de gás natural é efectuada através da ligação à
rede de gás natural existente no Instituto Superior Técnico, fornecido pela empresa Lisboa
Gás, a uma pressão de 22 mbar. Devido às perdas de carga presentes na linha de injecção de
combustível apenas é possível introduzir 0,46 m3/h na câmara de combustão quando a válvula
de corte se encontra completamente aberta (o correspondente a aproximadamente 5 kW). A
combustão é iniciada após se accionar o sistema de ignição, originando uma descarga
eléctrica de alta voltagem. O processo de aquecimento referido durava, em média, cerca de
30-45 minutos.
Concluido o período de aquecimento, inicia-se o estabelecimento das condições de operação
da câmara de combustão correspondentes aos respectivos ensaios, primeiro começando a
alimentar metano juntamente com o gás natural, para evitar a extinção da chama.
Posteriormente é cortada a alimentação de gás natural, regulam-se os vários rotâmetros de
combustível e o orifício calibrado de ar 1, de acordo com os dados do ensaio, aguardando-se
entre 5-10 minutos até atingir condições estacionárias. Finalmente, inicia-se o processo de
medida.
44
2.5 – Técnicas Experimentais
2.5.1 – Concentrações das espécies químicas
A Figura 2.9 representa esquematicamente o sistema de recolha e análise dos gases de escape
da câmara de combustão. Como se pode observar na figura, o sistema é constituído por uma
sonda, a linha de recolha, o sistema de secagem e limpeza da amostra, uma bomba de
diafragma e os analisadores.
Figura 2.9 – Sistema de recolha e análise dos gases de escape da câmara de combustão.
A Figura 2.10 representa esquematicamente a sonda de amostragem dos gases de exaustão,
cuja extremidade se encontra localizada no eixo central da conduta de escape da câmara de
combustão. A sonda foi fabricada em aço inoxidável e constituída por três tubos concêntricos:
o tubo central destina-se à recolha da amostra gasosa e os outros dois tubos ao arrefecimento
da sonda com água. O material da linha de recolha do sistema de amostragem é em
politetrafluoretileno, o qual é quimicamente inerte. Esta linha é aquecida por intermédio de
uma resistência eléctrica de forma a manter a amostra acima de 110 ºC e evitar a condensação
do vapor de água na linha, eliminando assim a possibilidade de dissolução de algumas
espécies químicas, em particular o NO2, em água. O sistema de amostragem é constituído por
45
um condensador, um secador e um filtro. O condensador e o secador permitem a eliminação
do vapor água contido na amostra, enquanto o filtro se destina à eliminação de eventuais
partículas, resultantes do processo de combustão e recolhidas durante o processo de
amostragem. Uma bomba de diafragma assegura a aspiração da amostra através do sistema de
amostragem. Assim, o sistema de amostragem permite o envio de uma amostra seca e limpa
aos analisadores, onde as concentrações das principais espécies químicas são medidas em
base seca. A Tabela 2.4 lista as principais características dos analisadores utilizados para
medir as concentrações de O2, CO2, CO, NOx e HC.
Figura 2.10 – Representação esquemática da sonda de amostragem dos gases de exaustão.
Tabela 2.4 – Características dos analisadores utilizados para a análise da composição química
dos gases de exaustão.
Espécie
química
O2
Marca/modelo
Método de análise
Horiba PG-250
Célula galvânica
0-25% vol.
CO2
Horiba PG-250
Não dispersivo de infravermelhos
0-15% vol.
CO
Horiba PG-250
Não dispersivo de infravermelhos
0-1000/5000 ppm
NOx
Horiba PG-250
Quimiluminiscência
0-100 ppm
HC
Amluk FID E
2020
Detecção por ionização de chama
0-1000/10000 ppm
Gama de medida
Antes e após cada sessão experimental os analisadores são calibrados. Inicialmente os valores
da concentração de O2, CO, CO2, HC e NOx são ajustados a zero, fazendo passar azoto puro
através dos analisadores. Em seguida, a concentração de O2 é ajustada de acordo com a
respectiva percentagem no ar atmosférico (20,9 % em volume), enquanto para as restantes
espécies se fez passar através dos analisadores misturas padrão de CO, CO2, HC e NOx em
azoto. A Tabela 2.5 apresenta as misturas padrão utilizadas no presente estudo.
46
Tabela 2.5 – Misturas padrão utilizadas na
calibração dos analisadores.
Espécie química
Concentração
O2
0; 20,9%
CO2
0; 12%
CO
0; 100 ppm
NOx
0; 150 ppm
HC
0; 80 ppm (C3H8)
O tempo de aquisição para os analisadores foi escolhido tendo em conta a variação dos sinais
contínuos enviados à placa de aquisição. Assim, no presente trabalho, a aquisição de dados
inicia-se a partir do momento em que as concentrações das espécies químicas estabilizavam, e
durava 60 s. A frequência de aquisição é de 100 Hz. Durante o tempo de aquisição de dados,
os sinais analógicos provenientes dos analisadores são conduzidos a uma placa de aquisição
(Data Translation DT 9802), onde são convertidos em sinais digitais. A partir desta placa os
valores médios são calculados por intermédio de um software dedicado (HP VEE-LAB v.
5.02), instalado num computador portátil.
2.5.2 – Temperatura
Para medir as temperaturas no interior do pleno (ar que alimenta a câmara de combustão) e na
exaustão da câmara de combustão são utilizados dois termopares de Crómio/Alumínio (tipo
K). Este tipo de termopares permite medir temperaturas máximas superiores a 900 ºC,
apresentando ainda elevada estabilidade nas medições e um erro experimental de ±3 ºC ou
0,75%. A gama de temperaturas medidas no presente trabalho variou entre a temperatura
ambiente e cerca de 400 ºC. Os termopares são revestidos a aço inoxidável, com diâmetro de
3 mm, de modo a garantir suficiente robustez.
A Figura 2.9 mostra a localização dos dois termopares utilizados. O termopar Tar é utilizado
para monotorizar a temperatura do ar de combustão no interior do pleno, sendo posicionado
no centro do pleno e logo abaixo da entrada do ar na câmara de combustão. O termopar Tg é
utilizado para medir a temperatura dos gases de escape, e encontra-se localizado junto à sonda
de recolha das espécies químicas.
47
Relativamente ao sistema de aquisição de sinal, para o termopar Tar é utilizado um Multímetro
Digital Protek 506 (sensor de temperatura tipo K, escala 1200.ºC, resolução 1.ºC) que permite
avaliar em tempo real a temperatura, enquanto para o termopar Tg o sistema de aquisição é em
tudo idêntico ao descrito anteriormente para as concentrações das várias espécies químicas,
com um tempo de aquisição de 60 s e frequência de aquisição de 100 Hz.
2.5.3 – Incerteza dos resultados
Concentrações das espécies químicas
A precisão das medidas das espécies químicas recorrendo a métodos intrusivos, como os
utilizados neste trabalho, é condicionada pelos seguintes factores: (a) perturbações
aerodinâmicas introduzidas pela sonda e erros associados a amostragem não isocinética; (b)
eficiência do congelamento das reacções químicas à entrada da sonda e (c) dissolução de
certas espécies gasosas em água. Como as medidas de espécies químicas foram efectuadas
apenas na exaustão da fornalha, somente a eficiência do congelamento das reacções químicas
à entrada da sonda e a dissolução de certas espécies gasosas em água poderiam ter introduzido
incertezas nas medidas.
Nas sondas de amostragem como a da Figura 2.10, o congelamento das reacções químicas na
amostra imediatamente a jusante do orifício de aspiração é um requisito fundamental para a
obtenção de medidas fiáveis. As sondas de arrefecimento convectivo indirecto, como a
utilizada neste trabalho, devem proporcionar um arrefecimento brusco da amostra para, desta
forma, assegurarem o congelamento eficaz das reacções químicas dos gases que constituem a
amostra. O arrefecimento é proporcionado pelo contacto da amostra com a própria sonda. Nas
medições efectuadas neste trabalho, o rápido arrefecimento da amostra é um aspecto
secundário, dado que a temperatura máxima que foi medida no decorrer dos ensaios nos gases
de exaustão não excedeu os 400 ºC. Embora a estas temperaturas ainda se possa verificar a
conversão de algumas espécies, como a de CO em CO2, a maioria das reacções já terminaram.
O facto das concentrações medidas se revelarem independentes da velocidade de aspiração da
amostra revela que o arrefecimento proporcionado pela sonda é eficaz, e mostra que os erros
associados ao congelamento das reacções químicas é insignificante nas medidas efectuadas
48
neste trabalho. Verificou-se também que os resultados obtidos eram independentes do caudal
de água de arrefecimento utilizado, o que indica que as taxas de arrefecimento da amostra
foram adequadas.
O contacto da amostra com água ao longo do sistema de amostragem, nomeadamente no
condensador, favorece a possibilidade de dissolução de certas espécies químicas gasosas na
água, especialmente NO2, como foi referido anteriormente. Os erros associados a este
fenómeno foram estudados por Costa et al. (1996) e considerados desprezáveis para
condições semelhantes às do presente trabalho.
Melo (2008) efectuou medições na exaustão da presente câmara de combustão, utilizando
para o efeito a mesma sonda, tendo verificado que a incerteza das medidas das concentrações
das espécies químicas gasosas na exaustão da câmara de combustão foi de 5%. A
repetibilidade dos resultados foi um indicador razoável da incerteza experimental, registandose valores semelhantes (6%) aos observados por Melo (2008).
Temperatura
A precisão das medidas de temperatura é fundamentalmente condicionada pelos erros
associados à transferência de calor por condução e radiação. Os erros sistemáticos devidos à
condução de calor através dos fios dos termopares ocorrem se estes estiverem expostos a um
gradiente de temperatura, que pode ser originada pela proximidade da junção do termopar
com o suporte dos fios. Tal não se verificou, portanto, os erros associados às perdas de calor
por condução foram aqui desprezáveis. Os erros associados à transferência de calor por
radiação entre a junção do termopar e o meio envolvente são superiores aos associados às
perdas de calor por condução. Uma vez que os termopares são revestidos, de entre estes
fenómenos, as perdas de calor por radiação são as que podem influenciar mais as medidas.
Todavia, uma vez que as temperaturas não são excessivamente elevadas na exaustão
(<.400.ºC) e o diâmetro do revestimento é reduzido (3 mm), também as perdas por radiação
são minimizadas. Assim, conclui-se que o erro associado à medição de temperaturas no
presente estudo foi reduzido.
49
3 – Apresentação e Discussão dos Resultados
3.1 – Introdução
Este capítulo apresenta e discute os resultados obtidos no decurso do presente estudo.
Inicialmente, o estudo envolveu a avaliação do desempenho energético e ambiental de uma
câmara de combustão para várias misturas gasosas, contendo na sua composição CH4, H2 e
CO2 , numa extensa gama de condições de operação da câmara, incluindo ensaios com prémistura do combustível. Numa segunda fase do trabalho, foram efectuadas modificações na
câmara de combustão de forma a estudar a influência da velocidade de entrada do ar de
combustão no seu desempenho.
3.2 – Princípios Básicos de Funcionamento da Câmara de Combustão
O princípio de operação da presente câmara de combustão baseia-se no estabelecimento de
uma região com elevadas taxas de recirculação, no interior da câmara de combustão, onde
parte do ar 1 se mistura com os produtos da combustão, tal como idealizado por Levy et al.
(2004). A Figura 3.1 ilustra esquematicamente a aerodinâmica interna da presente câmara de
combustão. A Figura 3.1a mostra a secção longitudinal da câmara de combustão anular,
contendo
duas
secções
com
orifícios
circulares
destinados
à
entrada
do
ar,
circunferencialmente distribuídos ao longo da parede exterior da câmara, e uma linha de
injectores de combustível, montado na sua parede interna; e a Figura 3.1b mostra
esquematicamente o padrão do escoamento na câmara de combustão, permitindo assim uma
melhor percepção do escoamento e do seu princípio de funcionamento. O contorno da câmara
de combustão e a orientação das entradas de ar e de combustível proporcionam a criação de
um vórtice, permitindo assim misturar os produtos da combustão com o caudal de ar fresco,
antes do local de injecção de combustível. Como foi referido, a presente câmara de combustão
recorre a elevadas taxas de recirculação internas dos produtos de combustão com a finalidade
de manter as temperaturas no seu interior moderadas e relativamente uniformes e, assim,
inibir principalmente a formação de NO térmico.
De acordo com a Figura 3.1b, o ar proveniente do compressor entra pela junção 1 onde é
dividido em duas partes: ar de combustão e ar de diluição. O ar de combustão mistura-se com
50
os produtos da combustão na junção 2. O combustível é, entretanto, injectado no ponto 3 e
mistura-se com o ar de combustão e com os produtos de combustão (ar viciado). Após a
mistura estar completa, inicia-se o processo de combustão (entre 3 e 4). Na junção 4, uma
parte dos produtos da combustão retorna à zona de combustão (junção 2) e a restante parte
mistura-se com o ar de diluição (junção 5), saindo a mistura da câmara de combustão através
da zona de exaustão (ponto 6).
Figura 3.1 – Esquema da aerodinâmica interna da câmara de combustão. a) Secção
longitudinal da câmara de combustão anular; b) Processo de funcionamento da presente
câmara de combustão tal como idealizado por Levy et al. (2004).
Nas circunstâncias acima referidas, o funcionamento da câmara de combustão é largamente
determinado pela taxa de recirculação interna no escoamento, o que determina em grande
parte as emissões de NOx e a eficiência de combustão. É ainda importante relembrar que os
valores de Kv obtidos por Melo (2008) na presente câmara de combustão variam entre 0,4 e 1.
No presente trabalho, a eficiência de combustão (η) foi calculada através da seguinte equação:
51

PCI CH 4
PCI

CO
η = 100 ×  1 −
× EI CO −
× EI HC 

PCI
PCI
fuel
fuel


(3.1)
onde EIi representa as emissões expressas em kgi/kgfuel e PCIi representa o poder calorífico
inferior de cada espécie expresso em kJ/kg.
Refira-se que as emissões de NOx foram corrigidas de acordo com o valor usual para
equipamentos a turbinas a gás, ou seja, corrigidas a 15% de O2 através da seguinte equação:
x NOx (@ 15% O2 ) = x NOx
( 21 − 15 )
( 21 − x )
(3.2)
O2
3.3 – Influência do Combustível no Desempenho da Câmara de Combustão
3.3.1 – Condições experimentais
A Tabela 3.1 apresenta a composição volúmica e as propriedades das nove misturas de
combustível utilizadas no presente trabalho. Para todos os ensaios foi definida uma potência
térmica total constante e idêntica para todas as misturas, correspondente a 4 kW. A mistura 1
(metano) serviu como termo de comparação e referência às demais misturas. As misturas 1 a
5 permitem estudar o efeito da adição de hidrogénio à mistura combustível, enquanto as
misturas 1 e 6 a 9 permitem avaliar o efeito da adição de dióxido de carbono à mistura
combustível. Neste segundo caso, manteve-se a potência térmica do metano (= 3 kW) e do
hidrogénio (= 1 kW) constantes, variando a percentagem de CO2.
A Tabela 3.2 resume as condições experimentais para todos os ensaios realizados. Para todas
as condições experimentais listadas na Tabela 3.2 foram efectuadas medidas detalhadas das
emissões de poluentes na exaustão da câmara de combustão e avaliada a eficiência de
combustão. Em todos os ensaios foi usado o modelo A da câmara de combustão. Como foi
referido anteriormente, todos os ensaios foram conduzidos para uma potência térmica de
4.kW.
52
Tabela 3.1 – Propriedades das misturas usadas nos ensaios.
Mistura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Composição (% volume)
CH4
100
91
81,9
76
67,8
47,5
43,9
41,6
39,2
H2
0
9
18,1
24
32,2
52,5
48,6
45,9
43,3
CO2
0
0
0
0
0
0
7,5
12,5
17,5
16,04
14,78
13,50 12,67 11,53
0,716
0,659
0,602 0,565 0,515 0,387 0,506 0,584 0,663
35,80
33,55
31,27 29,79 27,76 22,67 20,97 19,83 18,70
39,73
37,30
34,84 33,25 31,05 25,56 23,64 22,37 21,09
1952
1956
1961
Propriedades
Mf
(kg/kmol)
ρf
(kg/Nm3)
PCI
(MJ/Nm3)
PCS
(MJ/Nm3)
Tad* (ºC)
1965
1971
8,68
1988
11,33 13,09 14,86
1963
1943
1923
* Temperatura adiabática de chama a pressão constante, com φg = 1, considerando total
equilíbrio das espécies químicas, obtida com o programa Gaseq.
Tabela 3.2 – Condições experimentais: influência da composição do combustível.
φp
φg
1,95-5,32
(−)
3-∞
7,86
2,02-5,29
3
7,71
4
(−)
0,20-0,54
η
(%)
NOx
(ppm@15%O2)
97,02-99,99
2,4-16,0
3-∞
0,20-0,53
96,88-99,99
2,3-13,5
1,99-5,26
3-∞
0,20-0,53
98,61-99,97
2,1-16,9
7,59
1,97-5,24
3-∞
0,20-0,53
99,01-99,99
2,7-14,6
5
7,41
1,94-5,21
3-∞
0,20-0,54
99,06-99,99
2,9-23,8
6
6,83
1,66-5,09
3-∞
0,20-0,61
99,34-99,99
4,0-19,9
7
9,64
1,59-5,09
3-∞
0,20-0,64
99,18-99,99
2,2-30,1
8
11,78
1,62-5,09
3-∞
0,20-0,63
99,10-99,99
2,6-25,9
9
14,18
1,76-5,09
3-∞
0,20-0,58
99,05-99,99
2,2-16,0
Mistura
mfuel
(10-5 kg/s)
Qar
(10 Nm3/s)
1
8,00
2
-3
* Em todas as condições: Ptotal = 4 kW; temperatura do ar de entrada no pleno = 25 ºC
Importa ainda referir que, para estudar a influência da pré-mistura no desempenho da câmara
de combustão, foram utilizadas quatro condições de pré-mistura parcial, correspondendo a
φp = 3, φp = 4, φp = 6 e chamas de difusão puras (φp = +∞) – ver Tabela 3.2 (refira-se que
φp = +∞ significa chamas de difusão puras, isto é, não foi aplicada pré-mistura à mistura
53
gasosa). A condição φp = 3 teve em consideração o limite superior de flamabilidade de todas
as misturas. Por razões de segurança, foi respeitado o limite superior de flamabilidade das
misturas.
É importante realçar o facto de que os presentes ensaios serem realizados à pressão
atmosférica, sabendo-se que, em princípio, o valor da pressão na câmara de combustão
influencia as emissões de poluentes. Em geral o aumento da pressão faz aumentar as taxas de
reacção e, assim, as emissões de CO e HC diminuem. No caso particular da formação de NO,
a influência da pressão depende de outros factores, nomeadamente da razão de equivalência.
De acordo com Leonard e Stegmaier (1994) e Steele et al. (1995), para razões de equivalência
baixas, as emissões do NOx são pouco afectadas pela pressão. De facto, em ensaios
efectuados com este modelo num laboratório em Itália (Levy, 2005), à pressão de 2,5 bar,
observaram-se emissões de NOx semelhantes para as mesmas condições da razão de
equivalência, o que está de acordo com os estudos realizados pelos investigadores referidos
anteriormente.
3.3.2 – Resultados
As Figuras 3.2 e 3.3 mostram o efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx
para as misturas 1, 2, 3, 4 e 5 e para as misturas 1, 6, 7, 8 e 9, respectivamente, para vários φp.
Como se pode observar, os resultados encontram-se agrupados em quatro gráficos, de acordo
com o valor da razão de equivalência de pré-mistura, φp.. Nestas figuras, assim como nas
restantes do presente capítulo, a eficiência de combustão, η, foi calculada através da equação
(3.1), enquanto as emissões de NOx foram corrigidas para 15% de O2 nos produtos de
combustão com o auxílio da equação (3.2). Refira-se que em todos os gráficos se considera
como limite inferior de operação da câmara o valor de φg = 0,2. Esse valor foi considerado
tendo em conta a temperatura adiabática de chama, pois para regiões mais pobres as
temperaturas seriam tão baixas que teriam pouco significado em câmaras de combustão de
turbinas a gás convencionais. É ainda necessário distinguir entre esse valor (φg = 0,2) e a
condição experimental para a qual ocorre extinção de chama, sendo que esta última não foi
quantificada pois encontrava-se abaixo de φg = 0,2.. O limite superior foi considerado na
condição experimental para a qual surge chama visível na zona da exaustão.
54
30
100
99
25
98
20
97
96
15
95
10
94
5
a)
p
=
93
0
92
30
100
99
25
98
97
96
15
95
10
94
5
b)
p
=6
93
0
92
30
100
99
25
98
20
97
15
Combustion efficiency (% )
NOx (dry volume ppm @ 15% O 2)
20
96
95
10
94
5
c)
p
=4
93
0
92
30
100
25
Fuel mixture 1:
Fuel mixture 2:
Fuel mixture 3:
Fuel mixture 4:
Fuel mixture 5:
20
15
99
NOx
NOx
NOx
NOx
NOx
;
;
;
;
;
98
97
96
95
10
94
5
0
0.2
d)
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
p
0.55
=3
93
92
0.6
g
Figura 3.2 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as misturas 1, 2,
3, 4 e 5 para vários φp. Em todas as condições: potência térmica = 4 kW.
a) φp = + ∞; b) φp = 6; c) φp = 4; d) φp = 3.
55
100
35
99
30
98
25
97
20
96
15
95
10
94
a)
5
p
=
93
0
92
35
100
30
99
98
97
20
96
15
95
10
94
5
b)
p
=6
93
92
0
35
100
30
99
25
98
97
20
Combustion efficiency (% )
NOx (dry volume ppm @ 15% O 2)
25
96
15
95
10
94
5
c)
0
p
=4
92
100
35
30
Fuel mixture 1:
Fuel mixture 6:
Fuel mixture 7:
Fuel mixture 8:
Fuel mixture 9:
25
20
15
;
;
;
;
;
99
NOx
NOx
NOx
NOx
NOx
98
97
96
95
10
94
5
0
0.2
93
d)
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
p
=3
0.6
93
92
0.65
g
Figura 3.3 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as misturas 1, 6,
7, 8 e 9 para vários φp. Em todas as condições: potência térmica = 4 kW.
a) φp = + ∞; b) φp = 6; c) φp = 4; d) φp = 3.
56
A Figura 3.2, que permite estudar o efeito da adição de hidrogénio à mistura combustível,
revela que a eficiência de combustão diminui à medida que φg decresce, para todas as
misturas, principalmente abaixo de φg ≈ 0,35, sendo que nesta região o aumento do grau de
pré-mistura, tipificado pela diminuição do valor de φp, influencia negativamente a eficiência
de combustão das misturas 1 e 2, as quais possuem baixos teores de hidrogénio – ver
Tabela.3.1. Para valores de φg > 0,35 verifica-se que a eficiência de combustão atinge valores
próximos de 100%, independentemente do valor de φp. É interessante observar que as
misturas 3, 4 e 5, justamente aquelas que possuem na sua composição maiores teores de
hidrogénio, originam maiores eficiências de combustão em toda a gama de φg estudada.
Relativamente às emissões de NOx, verifica-se, para todas as misturas, que à medida que φg
aumenta as emissões de NOx também aumentam, o que sugere que o aumento da temperatura
de combustão origina maior formação de NO principalmente via mecanismo térmico. O
aumento da temperatura é devido à maior taxa de reacção do hidrogénio comparativamente à
do metano. Para φg inferiores a aproximadamente 0,45, a Figura 3.2 revela que as emissões de
NOx apresentam geralmente valores inferiores a 10 ppm@15% O2. Verifica-se ainda que um
aumento do grau de pré-mistura proporciona um decréscimo das emissões de NOx,
independentemente do valor de φg, o que permite alargar o regime de operação da câmara de
combustão com desempenhos superiores.
Em termos de desempenho global da câmara de combustão (eficiência de combustão e
emissões de NOx), verifica-se que a percentagem óptima de H2 na mistura parece localizar-se
no intervalo [18% (mistura 3), 24% (mistura 4)], e considerando a condição mais semelhante
ao funcionamento de uma turbina a gás (φg ≈ 0,4) o valor óptimo de H2 é 18%.
A Figura 3.3, que permite avaliar o efeito da adição de dióxido de carbono à mistura
combustível, sempre contendo na sua composição volúmica mais de 43% de H2, revela que a
eficiência de combustão é elevada (sempre superior a 99%), independentemente dos valores
de φg e φp, excepto na mistura 1. Adicionalmente, note-se que os valores máximos de φg nas
Figuras 3.3a a 3.3d são superiores aos correspondentes valores de φg nas Figuras 3.2a a 3.2d.
Relativamente às emissões de NOx, verifica-se que as misturas 7, 8 e 9 apresentam emissões
de NOx (corrigidas a 15% O2) inferiores às apresentadas pela mistura 6, na qual não existe
57
CO2. Este facto parece resultar da diminuição da temperatura de combustão à medida que é
adicionado CO2 à mistura combustível, tal como indicado pelas temperaturas adiabáticas
incluídas na Tabela 3.1. Adicionalmente, para valores de φg baixos, verifica-se que as
emissões de NOx para as misturas 7, 8 e 9 são sempre inferiores a 5 ppm@15% O2, embora
para valores de φg elevados as emissões de NOx atinjam valores de cerca de 30 ppm@15% O2
no caso de φp= +∞.
Finalmente, refira-se que à semelhança do verificado na Figura 3.2, a Figura 3.3 revela que o
decréscimo de φp (isto é, aumento do grau de pré-mistura) permite diminuir de forma
significativa as emissões de NOx em toda a gama de φg considerada, especificamente para
φp = 3 e φp = 4 as emissões de NOx não ultrapassam 10 ppm para todos os valores de φg,
enquanto para φp = 6 e φp = +∞ as emissões de NOx atingem valores superiores a 15 ppm para
φg > 0,45.
Em resumo, as Figuras 3.2 e 3.3 mostram que a aplicação de pré-mistura parcial à presente
configuração é benéfica para a generalidade das misturas, exceptuando as misturas 1 e 2, dado
que promove a diminuição das emissões de NOx mantendo os níveis da eficiência de
combustão elevados (η > 98,5%). Note-se que para valores de φg mais elevados se atingem
níveis de η próximos de 100%.
Tal como foi observado anteriormente, verifica-se que a eficiência de combustão para todas as
misturas sofre um decréscimo para valores de φg muito baixos. Esta tendência é devido aos
elevados níveis de HC e CO para esses φg, presumivelmente devido às baixas taxas de reacção
associadas às baixas temperaturas de chama. Com o aumento do valor de φg a temperatura de
chama aumenta, provocando um aumento das taxas de reacção e, consequentemente, uma
diminuição nos níveis de CO e HC. Por esta razão as condições que correspondem a
eficiências de combustão máximas estão associadas aos maiores valores de φg, para a maioria
das misturas.
A Figura 3.4 mostra a correlação entre a eficiência de combustão e as emissões de NOx para
todas as condições de funcionamento da câmara de combustão estudadas. Verifica-se que as
emissões de NOx são inferiores a 30 ppm@15% O2 e a eficiência global de combustão é
superior a 97%, sendo que ambos os gráficos apresentam um aglomerado de pontos junto à
58
origem do referencial, o que indica que a maioria das condições corresponde a elevados
desempenhos da presente câmara de combustão.
A Figura 3.4 sugere que existe uma correlação inversa entre as emissões de NOx e a eficiência
de combustão, ou seja, menores valores de NOx são obtidos quando ocorrem menores
eficiências de combustão. Estes resultados não devem, no entanto, ser mal interpretados, dado
que os resultados relevantes para aplicação a sistemas industriais são aqueles que apresentam
eficiências de combustão próximas de 100% e emissões de NOx abaixo de 10 ppm@15% O2.
35
30
Fuel mixture 1
Fuel mixture 2
25
NOx (dry volume ppm @ 15% O 2)
Fuel mixture 3
20
Fuel mixture 4
15
Fuel mixture 5
10
5
0
35
30
Fuel mixture 6
25
Fuel mixture 7
Fuel mixture 8
20
Fuel mixture 9
15
10
5
0
100.0
99.5
99.0
98.5
98.0
97.5
97.0
96.5
Combustion efficiency (% )
Figura 3.4 – Eficiência de combustão versus emissões de NOx para as todas misturas
estudadas.
A Figura 3.5 apresenta os diagramas de operação para todas as misturas combustíveis
estudadas. Como se pode observar, cada figura representa φp em função de φg, definindo
zonas com características diferentes relativamente à eficiência global de combustão e
emissões de NOx. As zonas assinaladas nos vários diagramas de operação da figura são as
seguintes:
59
•
Zona 1: apresenta emissões de NOx inferiores a 10 ppm e eficiências de combustão
superiores a 99,5%, sendo nesta zona que o desempenho energético e ambiental da
câmara de combustão/mistura combustível é melhor;
•
Zona 2: apresenta emissões de NOx também inferiores a 10 ppm, mas eficiências de
combustão inferiores a 99,5%;
•
Zona 3: apresenta emissões de NOx já superiores a 10 ppm mas eficiências de
combustão ainda superiores a 99,5%;
•
Zona 4: apresenta chama visível na zona de exaustão da câmara de combustão.
A Figura 3.5 revela que, para a maioria das misturas combustíveis (exceptuando as misturas 1
e 2), quanto maior é o grau de pré-mistura (isto é, quanto menor é o valor de φp) maior é o
regime de operação da câmara de combustão/mistura combustível na zona 1. Além disso, na
grande maioria das misturas, existe uma faixa vertical comum em torno de φg ≈ 0,35 na qual a
dependência do efeito da pré-mistura não se faz sentir, correspondendo no diagrama de
operação sempre à zona 1.
A dimensão da zona 3 das misturas combustíveis 1 a 5, que, recorde-se, permitem avaliar o
efeito da adição de hidrogénio à mistura combustível, traduz a percentagem de H2 presente na
mistura combustível, sendo, com excepção da mistura combustível 3, tanto maior quanto
maior é o teor em hidrogénio na mistura. É ainda fundamental salientar que a mistura 3
(mistura combustível que parece apresentar um valor óptimo de H2 em termos de desempenho
global da câmara de combustão) apresenta a zona 3 com menor dimensão, o que reforça a
ideia desta mistura combustível exibir no geral condições mas favoráveis de funcionamento.
No caso das misturas 6 a 9, que permitem avaliar o efeito da adição de dióxido de carbono à
mistura combustível, verifica-se que a dimensão da zona 3 diminui à medida que aumenta o
teor em dióxido de carbono, resultante de inferiores temperaturas adiabáticas de chama.
Verifica-se, ainda, que a dimensão da zona 2 diminui à medida que a mistura combustível é
enriquecida com H2, o que é expectável face às maiores eficiências de combustão promovidas
pela presença de hidrogénio na mistura combustível.
60
p
6
2
3
1
4
Fuel mixture 1
0
p
3
0
4
0
6
0
3
1
3
3
6
1
3
Fuel mixture 5
0
3
1
Fuel mixture 8
2
4
6
3
Fuel mixture 7
2
4
1
2
4
1
3
3
Fuel mixture 2
6
Fuel mixture 4
2
2
2
p
6
4
3
3
3
1
6
1
6
3
3
0
2
3
2
6
3
4
1
3
Fuel mixture 9
0
0
0
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
Fuel mixture 3
Fuel mixture 6
g
g
g
Figura 3.5 – Diagramas de operação para todas as misturas combustíveis estudadas. Zona 1: NOx < 10 ppm e η ≥ 99,5%; zona 2: NOx < 10 ppm
e η < 99,5%; zona 3: NOx > 10 ppm e η ≥ 99,5%; zona 4: chama visível na zona de exaustão.
61
3.4 – Influência da Velocidade do Ar no Desempenho da Câmara de Combustão
3.4.1 – Condições experimentais
A Tabela 3.3 resume as condições experimentais dos ensaios realizados com o objectivo de
avaliar a influência da velocidade do ar de combustão no desempenho energético e ambiental
da câmara de combustão. Nestes ensaios foram usadas quatro configurações distintas para a
entrada do ar de combustão na câmara (ver Tabela 2.2 na secção 2.3), tendo sido sempre
utilizado CH4 (mistura 1 na Tabela 3.1) como combustível, com uma potência térmica
constante de 4 kW, sem pré-mistura (φp = +∞). A Tabela 3.4 apresenta as áreas das secções de
entrada do ar 1 (ar de combustão) das quatro configurações testadas.
Tabela 3.3 – Condições experimentais: influência da velocidade do ar.
Conf.
φg
Qar
-3
3
var (m/s)
η
NOx
Right inlet
2,5-7,0
(%)
(ppm@15% O2)
0,20-0,54
Left inlet
2,5-7,0
99,44-99,93
4,0-14,2
1,77-5,32
0,20-0,60
4,5-12,0
4,5-12,0
99,69-99,98
3,3-5,7
C
1,69-5,32
0,20-0,63
4,3-12,0
—
98,91-99,95
3,6-6,5
D
1,66-4,84
0,22-0,64
8,2-25,3
—
99,17-99,90
2,2-3,2
(10 Nm /s)
(−)
A
1,95-5,32
B
* Em todas as condições: Ptotal = 4 kW; combustível = mistura 1; temperatura do ar de
entrada no pleno = 25 ºC.
Tabela 3.4 – Áreas das secções de entrada
de ar 1 das várias configurações.
A (mm2)
Configuração
Left inlet
Right inlet
Total
A
396
396
792
B
198
198
396
C
396
—
396
D
198
—
198
62
3.4.2 – Resultados
A Figura 3.6 mostra o efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as
configurações A, B, C e D. Verifica-se que o aumento da velocidade do ar de combustão
conduz à diminuição das emissões de NOx, não se registando alterações assinaláveis na
eficiência global de combustão, para todas as configurações analisadas. A redução das
emissões de NOx está presumivelmente relacionada com o aumento da taxa de recirculação
interna provocada pelo aumento da velocidade do ar de combustão. O aumento da velocidade
do ar sugere ainda que as flutuações turbulentas aumentam, o que torna a diluição mais eficaz.
Refira-se que os elevados níveis das eficiências de combustão (sempre superiores a 99%)
independentemente das condições de operação da câmara de combustão.
Verifica-se que as emissões de NOx são consideravelmente menores na configuração B,
comparativamente à configuração A, devido às maiores velocidades de entrada do ar de
combustão – ver Tabela 3.3. De igual forma, também as emissões de NOx são menores na
configuração D, comparativamente à configuração C, sendo que neste caso as reduções são
20.0
100
17.5
99
15.0
12.5
Config. A:
Config. B:
Config. C:
Config. D:
;
;
;
;
NOx
NOx
NOx
NOx
98
97
10.0
96
7.5
95
5.0
94
2.5
93
0.0
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
Combustion efficiency (% )
NOx (dry volume ppm @ 15% O 2)
menos acentuadas.
92
0.65
g
Figura 3.6 – Efeito de φg na eficiência de combustão e emissões de NOx para as
configurações A, B, C e D. Em todas as condições: potência térmica = 4 kW, mistura 1 e
φp = +∞ (chamas de difusão).
63
4 – Fecho
A secção seguinte sintetiza as principais conclusões do presente trabalho e a secção
subsequente enumera algumas recomendações para trabalhos futuros.
4.1 – Conclusões
As principais conclusões deste estudo são:
1. A presente câmara de combustão pode operar em segurança e de forma eficiente com
excessos de ar muito elevados (ultra lean combustion, na literatura inglesa), o que
permite
o
estabelecimento
de
temperaturas
relativamente
reduzidas
e,
consequentemente, dificulta a formação de NO via mecanismo térmico;
2. Para a vasta gama de condições de operação estudadas, as quais incluíram nove
misturas combustíveis distintas, verificou-se que as emissões de NOx são sempre
inferiores a 30 ppm@15% O2 e a eficiência global de combustão é sempre superior a
97%, sendo que na maior parte dos casos esses valores são 10.ppm@15% O2 e 99,5%,
respectivamente, o que revela o elevado potencial da presente câmara de combustão.
3. A adição de pequenas quantidades de hidrogénio ou de dióxido de carbono à mistura
combustível combinada com a aplicação de pré-mistura parcial ao combustível, ao
invés da operação com chamas de difusão puras, é benéfica para o desempenho da
presente câmara de combustão dado que promove a diminuição das emissões de NOx
mantendo, ou aumentando, os níveis da eficiência de combustão.
4. A aplicação de pré-mistura parcial à mistura de combustível alarga a zona de operação
da câmara de combustão onde o seu desempenho é o mais apropriado (emissões de
NOx.inferiores a.10.ppm@15% O2 e eficiências de combustão superiores a..99,5%).
5. O aumento da velocidade de entrada do ar de combustão na câmara de combustão
reduz as emissões de NOx, presumivelmente devido ao aumento da taxa de
64
recirculação interna provocada pelo aumento da velocidade do ar, mas no entanto não
altera a eficiência global de combustão, a qual permanece elevada.
4.2 – Sugestões para Trabalhos Futuros
Os resultados obtidos para a presente câmara de combustão com as misturas combustíveis
consideradas são muito promissores e poderão ser aplicáveis futuramente com sucesso a
motores de turbinas a gás. Apesar desse facto, será interessante medir as temperaturas no
interior da zona de recirculação e avaliar se será representativo das condições no modelo
completo (360º) ou se é verificado algum efeito da relação Superficie / Volume com perdas de
calor importantes (através das janelas de quartzo) e que seja isso que esteja a limitar a
temperatura abaixo do “treshold” para formação de NO-térmico. Relativamente à pré-mistura
parcial imposta ao combustível, é aconselhável realizar estudos em condições pobres (φp.<.1),
tendo em atenção o limite inferior de flamabilidade das misturas, já que no presente trabalho
apenas se estudou condições ricas, devido a limitações de equipamento.
No que diz respeito à influência da velocidade do ar no desempenho da câmara de combustão,
apesar dos resultados obtidos serem bastante encorajadores, é desejável estender o estudo para
outras condições de funcionamento. Em particular, é importante desenvolver um mecanismo
que permita controlar o caudal de ar 1 em cada secção de entrada da câmara de combustão,
permitindo assim optimizações adicionais da câmara.
Adicionalmente, o aumento do volume da câmara de combustão, com vista a aumentar os
tempos de residência, poderá ser outra via interessante para melhorar o desempenho global da
presente câmara de combustão. Outra importante modificação, será a construção de uma nova
estrutura do pleno e câmara de combustão em quartzo, de modo a permitir a aplicação de
técnicas ópticas, de forma a caracterizar em detalhe e com maior precisão o escoamento no
interior da câmara de combustão.
65
5 – Referências
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Confined Premixed Hydrogen-Enriched Methane Fames, International Journal of Hydrogen
Energy, Vol. 34, pp. 496-506.
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Nonpremixed Flame, Proc. KSME 2002 Spring Annual Meeting B, pp. 2019–2024.
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hydrocarbon fuels for gas reburnig, Fuel, Vol. 76, pp. 1401-1407.
Blauwens, J., Smets, B. e Peeters, J., 1977, Mechanism of “Prompt” NO Formation in
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Technology Driven by Regulation, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 24, pp. 859878.
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Addition on Flame Stability and Pollutant Emissions for an Atmospheric Kerosene/Air
Swirled Flame of Laboratory Scaled Gas Turbine, International Journal of Hydrogen Energy,
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Cabot, G., Vauchelles, D., Taupin, B. e Boukhalfa, A., 2004, Experimental Study of Lean
Premixed Turbulent Combustion in a Scale Gas Turbine Chamber, Experimental Thermal and
Fluid Science, Vol. 28, pp. 683-690.
66
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71
ANEXO A – Detalhes da Câmara de Combustão
Figura A1.1 – Corte longitudinal do modelo original (modelo A) da câmara de combustão e
respectivas dimensões.
72
Figura A1.2 – Vista lateral da câmara de combustão e respectivas dimensões.
73
Entrada de Ar
Exaustão
Entrada de Ar
Figura A1.3 – Vista sem perspectiva de conjunto do modelo da câmara de combustão
74