Modelagem numérica bidimensional de combustão de partículas de carvão em atmosferas de O2/N2 e O2/Co2

Abstract

Confirmando-se as previsões de esgotamento das grandes reservas de petróleo e gás natural, o carvão poderá mais uma vez tornar-se a fonte principal de combustível fóssil no mundo. Mas, com seu emprego em larga escala será necessário o desenvolvimento de técnicas de captura e armazenamento de dióxido de carbono. Recentemente vem-se desenvolvendo pesquisas sobre novas tecnologias para a produção de energia mais limpa a base de carvão e uma delas é a oxi-combustão. Esta tecnologia é baseada na queima de combustíveis em uma atmosfera oxidante (livre de nitrogênio). A combustão de carvão com oxigênio puro produz um gás rico em CO2 e vapor de água, com substancialmente baixas concentrações de NOx. Permitindo assim, uma fácil separação e captura do CO2 para depois ser comprimido, transportado e armazenado. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta um estudo detalhado da combustão de partículas de carvão colombiano betuminoso em atmosferas O2/NO2 (ar atmosférico) e O2/CO2 (oxi-combustão), através de simulações numéricas computacionais mostrando o efeito da substituição de N2 por CO2 na combustão de carvão em partículas. As equações de conservação de massa, energia, movimento e espécies (para uma geometria bidimensional), transiente, são resolvidas numericamente por um método de volumes finitos baseado em elementos. No equacionamento, considera-se a partícula como um meio poroso que pode se modificar devidos os processos de pirólise, combustão e gaseificação. A partir das simulações são analisadas temperatura, conversão de massa, reatividade, velocidade dos gases de combustão e fração mássica de O2, CO2, CO, H2O e N2, para todos os instantes de tempo da combustão da partícula. Todos esses parâmetros são apresentados para diferentes composições do gás oxidante (o ar atmosférico e varias concentrações de O2 na mistura O2/CO2). No final do trabalho se verifica que as predições numéricas mostraram excelente concordância com resultados experimentais e teóricos publicados na literatura especializada no assunto. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Confirming the predictions about large oil and natural gas reserves depletion, coal may once again become a major source of fossil fuel in the world. The large-scale use of coal, will probably be associated with techniques for capturing and storing carbon dioxide. Recently it has been developing research about new technologies for cleaner energy production from coal, and one of them is oxy-fuel combustion. This technology is based on fuel combustion in an oxidizing atmosphere (free of nitrogen). The coal combustion with pure oxygen produces a rich gas of CO2 and water vapor, with substantially lower concentrations of NOx, allowing easy separation and CO2 capture, so then it can be compressed, transported and stored. Within this context, this work aims to present a detailed study of the combustion of bituminous Colombian coal particles in O2/N2 (atmospheric air) and O2/CO2 (oxy-fuel) atmospheres, through computational numerical simulations showing the effect of replacing N2 by CO2 in the coal combustion of coal particles. The equations of mass conservation, energy momentum and species (for a two-dimensional geometry), transient, are solved numerically by a finite volume method based on finite elements. In the equation, the particle is considered as a porous material that can change due to the pyrolysis, combustion and gasification processes. From the simulations are analyzed temperature, mass conversion, reactivity, combustion rate gases and mass fraction of O2, CO2, CO, H2O and N2, for all time instants of the particle combustion. All these parameters are presented for different compositions of the oxididant gas (atmospheric air and several concentrations of O2 in O2/CO2 mixture). At the end of the work it is found that the numerical predictions shows excellent agreement with experimental and theoretical results published in literature. _______________________________________________________________________________ RESUMEN

Confirmadas las previsiones de agotamiento de las grandes reservas de petróleo y gas natural, el carbón podrá convertirse nuevamente en la principal fuente de combustible fósil del mundo. Sin embargo, para el uso de éste a gran escala será necesario el desarrollo de técnicas de captura y almacenamiento de dióxido de carbono. Las investigaciones Recientes apuntan al desarrollo de nuevas tecnologías para la producción de energía limpia a base de carbón y una de ellas es la oxi-combustión. Esta tecnología se basa en la quema de combustibles en una atmósfera oxidante (libre de nitrógeno). La combustión de carbón con oxígeno puro genera un gas rico en CO2 y vapor de agua con bajas concentraciones de NOx, permitiendo así una fácil separación y captura de CO2 para después ser comprimido, transportado y almacenado. Dentro de este contexto, el presente trabajo exhibe un estudio detallado de la combustión de las partículas de carbón bituminoso colombiano en atmósferas de O2/NO2 (aire atmosférico) y O2/CO2 (oxi-combustión), a través de simulaciones numéricas computacionales mostrando el efecto de reemplazar N2 por CO2 en la combustión de las partículas de carbón. Las ecuaciones de conservación de masa, energía, movimiento y especies (para una geometría bidimensional), transitorio, son resueltas numéricamente por un método de volúmenes finitos basado en elementos. En las ecuaciones, la partícula es considerada como un medio poroso que puede cambiar debido a los procesos de pirólisis, gasificación y combustión. A partir de las simulaciones son analizadas temperatura, conversión de masas, reactividad, velocidad de los gases de combustión y fracción de masa de O2, CO2, CO, H2O y N2 para todos los instantes de tiempo de la partícula en combustión. Todos estos parámetros serán presentados para diferentes composiciones del gas oxidante (aire atmosférico y diversas concentraciones de O2 en la mezcla de O2/CO2). Al final del trabajo se encuentra que las predicciones numéricas mostraron una excelente concordancia con los resultados experimentales y teóricos publicados la literatura especializado en el asunto.