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AUTORA: Letícia Xavier Corbini

ORIENTADOR: Nilson Romeu Marcílio

INTRODUÇÃO

O Brasil possui reservas significativas de carvão mineral.

Este combustível representa 6 % da demanda total de energia no país.

Características desfavoráveis ao uso do carvão brasileiro:

Tecnologias promissoras para geração de energia limpa a partir do carvão:

Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC)

Baixo poder calorífico;

Elevado teor de cinzas;

Alto teor de enxofre.

INTRODUÇÃO

Sistema Integrado de Gaseificação e Ciclo Combinado (IGCC)

Gaseificação do

carvão Combustão dos

gases em turbina

Remoção eficiente do particulado e dos gases ácidos (altas

Temperaturas)

não utilizar água como veículo

Minimiza custos de tratamento e impactos ambientais

INTRODUÇÃO

Remoção de partículas finas oriundas da gaseificação

a altas Temperaturas e Pressões;

Protege os componentes da turbina de incrustações e erosão;

Leis ambientais - Retenção de particulados poluentes.

Técnicas de remoção de partículas em escoamento em altas Temperaturas:

Filtros Cerâmicos;

Ciclones;

Precipitadores eletrostáticos;

Lavadores de gases;

Filtros granulares

• Confiabilidade de operação a altas Temperaturas;

• Baixo custo de operação e construção;

• Remoção simultânea de sólidos e contaminantes.

Ponto crítico!

OBJETIVO

PARA ESTE TRABALHO

Avaliar a queda de pressão dentro do filtro:

Ferramentas computacionais (CFD)

Dados experimentais (escala bancada)

Comparação da permeabilidade do leito:

Experimental X Predita matematicamente

ESCOAMENTOS EM LEITOS COMPACTOS

Lei de Darcy:

L = espessura da camada de leito

k = permeabilidade hidráulica

Modos de Estimar k : • inclinação da curva experimental u x ΔP • Correlação de Blake-Kozeny

Equação de Kozeny-Carman

MODELAGEM MATEMÁTICA

Equações de Navier-Stokes:

Equação da conservação de massa total (forma conservativa):

Acúmulo de QM

Parcela advectiva

Termos difusivos Termo de

geração/consumo

MODELAGEM MATEMÁTICA

Geometria Utilizada: tridimensional

Modelo de turbulência: k-ω

Vantagens:

Tratamento próximo à parede para baixos números de Reynolds;

Não envolve funções de amortecimento complexas e não-lineares;

Mais robusto;

Fácil convergência.

Energia cinética k

Dissipação turbulenta ω

GEOMETRIA DO PROBLEMA

Modelo de filtro proposto para estudo:

Filtro de leito granular;

Leito composto por esferas de vidro;

Retenção de partículas de cinza de carvão.

AR

PARTICULADO

GEOMETRIA DO PROBLEMA

Ar + Particulado

Modelo de filtro proposto para estudo:

(Patente Prof. Celso Martins)

Meio Filtrante

Granular

Esferas de vidro

Calhas móveis

Calhas fixas

Retirada meio filtrante com

particulado

Ar limpo

Espessura do leito: 100-150mm

GEOMETRIA DO PROBLEMA

Condições de operação consideradas na simulação:

Regime de escoamento: estado estacionário;

Velocidade do ar na entrada do leito: 0,192; 0,266; 0,416 e 0,538 m.s-1

Esfericidade (φ) :1

Porosidade do meio filtrante (ε): 0,4;

Diâmetro médio das partículas do meio filtrante (dp): 2 mm;

Temperatura de operação: 25°C;

Considerou –se apenas ar na entrada do filtro.

Testes Tetraedro Prismas Meio Poroso (Tetraedros)

TOTAL

Malha 1 821852 86964 908816 1-2 horas

Malha 2 4859353 248991 5108344 ~ 10 horas

Malha 3 9545896 481840 10027736 ~ 48 horas

TESTE DE MALHA

APARATO EXPERIMENTAL

Versão bancada deste filtro:

Localizado no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos),

da Escola de Engenharia – Departamento de Engenharia Mecânica

(UFRGS).

MATERIAIS E MÉTODOS

Perfil de velocidade média e da vazão volumétrica na saída do filtro

Materiais:

• Tubo de Pitot Padrão

• Micromanômetro

• Termômetro

• Barômetro

Metodologia:

•Pitot conectado ao manômetro foi inserido na tubulação.

•Variou-se a posição do Pitot através dos pontos de amostragem

determinados (NBR 10701, 1989), para 4 frequências diferentes do

ventilador (10, 15, 20 e 25Hz).

•Obteve-se o perfil de velocidades para cada frequência .

OBS: 25Hz foi a máxima frequência anterior à fluidização do leito.

MATERIAIS E MÉTODOS

Medida de perda de carga no filtro

Tomadas de pressão: 3 diâmetros a montante e 8 diâmetros a jusante do

filtro (NBR 10701, 1989).

Medidas de gradiente pressão e pressão estática;

Repetiu-se o procedimento para a obtenção do perfil de velocidades.

Foram realizados 8 conjuntos de testes para as 4 frequências do

ventilador (10, 15, 20 e 25Hz).

Manômetro digital SMAR (modelo D1)

MATERIAIS E MÉTODOS

Permeabilidade Hidráulica

Permeabilidade Hidráulica Teórica: k1 = 3,70 x 10-9 m2

Permeabilidade Hidráulica experimental: k2 = 2,26 x 10-9 m2

Blake –Kozeny com β = 1,33 (fator de forma)

Dados experimentais de ∆P e Vazão

Equação de Darcy

RESULTADOS

Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos.

Freqüência do

Ventilador

(Hz)

Velocidade do

gás na entrada

do filtro

(m/s)

Vazão exp

média

(kg/h)

Perda de Carga (∆P em Pa)

k1 (teórico)= 3,70x10-9 m2

k2 (exp) = 2,26 x 10-9 m2 Experimental

10 0,192 59,4 84 137 58,9 15 0,266 96,6 117 191 121,8 20 0,416 130,0 183 299 204,9 25 0,538 163,3 211 384 291,8

SIMULAÇÕES

RESULTADOS

Resultados obtidos nas simulações e nos experimentos.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

40 60 80 100 120 140 160 180

DP

no

Filt

ro (

Pa)

Vazão média (kg/h)

Dados experimentais k teórico k experimental Darcy

RESULTADOS

Perfil de pressão no leito.

RESULTADOS

v = 0,192 m/s V = 0,266 m/s

v = 0,416 m/s v = 0,538 m/s

CONCLUSÕES

Malha 1 mostrou-se bem adequada para a resolução do problema,

mesmo não sendo muito refinada;

Valores de perda de carga estão dentro do esperado para este

modelo de filtro;

Resultados experimentais apresentaram valores mais baixos que

os obtidos computacionalmente (considerações realizadas);

O filtro se mostra adequado para a remoção de particulados na

próxima etapa do trabalho e para um scale-up adequado em

aplicação industrial.

AGRADECIMENTOS

Ao orientador, Prof. Dr. Nilson Romeu Marcilio;

Ao CNPq e a Rede de Carvão;