Estudo numérico de uma câmara de combustão de microturbina a gás de baixa emissão de poluentes

Abstract

As turbinas a gás se destacam na área de propulsão aeronáutica e, principalmente, geração de energia. Nesse último caso, a eficiência alcançada com o uso do ciclo combinado e recuperação de calor pode superar 50%, além de que a modularidade de um sistema de geração com turbinas a gás permite uma construção rápida, com um investimento inicial reduzido e fáceis ampliações de acordo com necessidades futuras. Outra vantagem é a possibilidade de utilizar uma grande variedade de combustíveis, apenas com algumas adaptações. Aproveitando essas características, os combustores de turbinas a gás operavam tradicionalmente sem a pré-mistura do combustível e oxidante, por motivos de segurança e estabilidade da chama. No entanto, esse regime de operação leva a uma elevada formação de óxidos de nitrogênio, devido às altas temperaturas alcançadas nas regiões onde a mistura de ar e combustível se aproxima da condição estequiométrica. Para atender a novos limites impostos para a emissão desses poluentes, nas últimas décadas tem se destacado o uso da tecnologia LPP (lean premixed prevaporized) que, empregando uma mistura gasosa uniforme de baixa razão de equivalência, tem como principal vantagem evitar as condições de alta temperatura, responsáveis pelo mecanismo térmico de formação de x NO x . Dessa forma, as emissões de x NO em turbinas a gás podem ser reduzidas a níveis inferiores a 10 ppm. O projeto desses combustores LPP não é uma tarefa simples, apesar da ampla difusão e desenvolvimento de ferramentas CFD pois, devido ao elevado esforço computacional necessário para realizar simulações turbulentas tridimensionais com mecanismos detalhados, são empregados mecanismos de cinética química reduzida. Além disso, as interações entre o processo turbulento e a cinética química são de difícil análise, e requer modelos acurados para fornecer boas estimativas para as emissões dos principais poluentes. Limitações desse tipo são as principais causas das dificuldades enfrentadas ao se prever os níveis de emissões dos modernos combustores de baixo nível de poluentes, sobretudo considerando-se o aumento da importância e participação de diversos mecanismos de formação de poluentes nas emissões totais. Conseqüentemente, a seleção de modelos apropriados é fundamental para consistência de resultados e validação das simulações. Esse trabalho apresenta a simulação, em condições de plena carga, de uma câmara de combustão LPP real, desenvolvida e construída na Universidade de Brasília para uso em pequenas plantas de geração de energia com GLP como combustível. Por meio da comparação de dados experimentais disponíveis e resultados de simulações com um código CFD comercial, uma modelagem para o combustor – baseada nos modelos k - E e eddy dissipation – é investigada para utilização em previsões e aperfeiçoamentos dessa câmara de combustão LPP. Embora o processo de reação química seja limitado pela mistura turbulenta em grande parte do combustor (hipótese adotada pelo modelo eddy dissipation), faz-se necessário associar a descrição da cinética química ao processo reativo para reproduzir o início da combustão e a região de ancoragem da chama. Depois de ajustado o comportamento para as emissões de CO, as previsões fornecem uma indicação para os níveis de emissões de x NO . Além disso, por meio de uma análise de sensibilidade do modelo às variáveis de maior influência, algumas modificações no combustor são consideradas com o objetivo de reduzir as emissões de x NO x e CO. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Last decades new technologies in gas turbines involve the use of lean premixed prevaporized (LPP) combustors for achieving new restrictions on emission levels. The main advantage of LPP combustors is the small emission of x NOx , since the high temperatures of near stoichiometric operation – largely responsible for x NO production, known as thermal x NOx – are avoided. The design of LPP combustors is a complex task and, nowadays, has employed Computational Fluid Dynamics (CFD) codes in the flow field study and reaction process, although reduced mechanisms are used due to the required computational effort for carrying out turbulent 3D simulations with available detailed mechanisms. Also interactions between turbulent flow field and chemical kinetics require an accurate model to obtain good prediction about flow field and reaction rates. Model limitations like that are responsible by great difficulties for predicting pollutants emissions in modern combustors of low emission level, considering relative importance of diverse pathways. So choice of appropriate models is a key point to obtain relative consistency of results and to validate any simulation. This study presents the simulation of a real LPP combustor with combustion at two stages built at Universidade de Brasília for small plants operating with LPG fuel at full load. By means of comparisons between available experimental data and numerical results of a commercial CFD code, a combustor model based on k - E and eddy dissipation models is investigated to be used in prediction and developments of that LPP combustor. However, to establish the combustion beginning and pilot flame zone it’s necessary to use a finite rate associated with eddy dissipation model. After reproduce the CO emissions behavior, results provide an indication for x NO emission levels. In addition, sensitivity analysis and some combustor modifications are considered in order to reduce x NOx and CO emissions.