Modelo matemático para estudo de processos reativos de partículas de carvão e biomassa

Abstract

Combustão e gaseificação de sólidos (carvão mineral e biomassa) representam uma considerável parte na geração de eletricidade no mundo, com destaque para a China e EUA, as duas maiores economias entre todos os países. Estrategicamente, pesquisa e desenvolvimento de tecnologias associadas à captura e ao armazenamento de carbono estão sendo conduzidas por importantes grupos, com destaque para o Laboratório Nacional de Tecnologia da Energia do Departamento de Energia dos EEUU objetivando o emprego mais limpo deste insumo energético. No Brasil, os esforços objetivam, principalmente, intensificar o uso do carvão nacional cujas características o diferenciam daqueles comumente usados em plantas de potência no exterior. Nos combustores e reatores de gaseificação, os principais processos termoquímicos, de transferência de calor e de massa observados em partículas de carvão ocorrem similarmente em biomassa particulada. Predições numéricas destes processos intrínsecos da transformação de carvão mineral e biomassa são indispensáveis no projeto de plantas de potência mais limpas e eficientes. Em linhas gerais, esta tese aborda este problema. Especificamente, o trabalho apresenta um modelo matemático apropriado para simular os principais processos termoquímicos que ocorrem na combustão e gaseificação de partícula sólida, em regime de baixo número de Reynolds. As equações de conservação de massa, energia e momentum (geometria bidimensional), transiente, são resolvidas numericamente por um método aprimorado de volumes finitos baseado em elementos finitos. Neste trabalho, importantes modificações, algumas inéditas, foram sugeridas e praticadas no método numérico para melhorar e acelerar a convergência do mesmo. A despeito da natureza multifásica do problema, o domínio computacional foi resolvido diretamente, por meio de formulação baseada no conceito de porosidade do meio. Como consequência, condição de contorno na superfície que separa as fases (sólida e gasosa) não se fez necessária. A fase condensada foi modelada com auxílio de uma estrutura bimodal que permite equacionar alterações na estrutura do sólido pelos processos de pirólise, combustão e gaseificação. O modelo proposto foi então extensivamente validado e aplicado no estudo da secagem, pirólise e combustão de partícula de turfa e biomassa. As predições numéricas mostraram excelente concordância com resultados experimentais e teóricos publicados na literatura especializado no assunto. O modelo proposto, com elevado grau de ineditismo, tornou-se uma ferramenta importante para o estudo teórico da queima e gaseificação de combustíveis sólidos pulverizados. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Combustion and gasification of solids fuels (coal and biomass) represent an important share of the world´s electricity production, especially in China and USA, the largest economies of all the countries. Intensive research is being conducted to develop carbon capture and storage (CCS) technologies for existing and future coal power plants, such as that of the Department of Energy, National Energy Technology Laboratory (DOE/NETL) from the United States. This would allow cleaner use of such feed-stock for many years to come. Research efforts, also in Brazil, would help increase the use of the national coal whose characteristics, compared to that commonly used worldwide in coal fired power plants, place another technological challenge. In boilers and gasifiers, the major thermochemical, heat and mass transfer processes that occur in coal particles are, to some extent, similar to that of particulate biomass consider for energy conversion. Numerical predictions of these processes would help designing even cleaner and more efficient coal/biomass-based power plants. This thesis presents a comprehensive mathematical model to simulate combustion and gasification of solid fuel particle in low Reynolds number regime. The conservation equations for mass energy and momentum (two dimensional geometry), unsteady, are solved numerically by an enhanced Control Volume Finite Element Method. A series of modifications to improve and accelerate convergence of the CVFE method were proposed and implemented in the present thesis. Despite the multiphase nature of the problem, the computational domain was solved directly by means of a porosity formulation. Following that, there was no need of gas/solid boundary conditions. The condensed phase was modeled by means of a bimodal porous structure for pyrolysis and combustion/gasification processes. After model validation, the code was applied for single particle drying, pyrolysis and combustion studies of biomass and peat. Numerical predictions showed good agreement with experimental and published data of the peat and biomass combustion literature. The proposed model, all together, can be considered a novel advanced means of studying solid fuel combustion and gasification processes.