Modelo matemático para combustão de carvão pulverizado e sua interação com água

Abstract

Neste trabalho foi desenvolvido um modelo matemático para combustão de carvão pulverizado que considera os principais fenômenos envolvidos na queima de partículas sólidas. Foram resolvidas numericamente equações para: conservação das espécies; energia do gás, das partículas e de todo o escoamento; devolatilização, formação de cinzas; queima do carbono; secagem da partícula e ainda conservação da massa. Também foram resolvidas equações para transferência de calor e massa de pequenas gotas de água injetadas em algum ponto do canal. Um método implícito aplicável a sistemas com alto grau de rigidez foi empregado. A variação na massa específica foi considerada mediante a utilização de uma equação empírica. A transferência de massa de uma fase para outra foi simulada mediante o uso de reações de "troca de massa". Este procedimento tornou o código independente no número de reações e espécies consideradas, bem como das composições do combustível e oxidante. Um mecanismo de reações composto por 500 reações e 88 espécies foi estabelecido e sua influência no processo foi avaliada. A calcinação e a sulfatação foram acopladas ao modelo de combustão, podendo ser avaliadas de maneira simultânea aos demais parâmetros. A interligação entre estes fenômenos pôde então ser estudada. A validação do modelo foi efetuada via comparação com resultados numéricos e experimentais publicados por outros autores, obtendo-se sempre boas concordâncias. A influência da umidade contida nas partículas de carvão também foi analisada. Sua presença favorece a sobreposição entre a devolatilização e a região de combustão heterogênea. As emissões de SO2, CO e NO são drasticamente reduzidas com o incremento da umidade na partícula de carvão, mas a concentração de H2SO é ampliada. O diâmetro das partículas de carvão foi variado e alguns resultados puderam ser estabelecidos. O modelo detectou a presença de grandes quantidades da espécie H2SO, fato ainda não relatado na literatura pesquisada. Temperaturas ideais para sulfatação foram obtidas via injeção de gotas de água à temperatura de 300 K. Equações apropriadas de transferência de calor e massa das gotas foram anexadas ao modelo. Modificando-se a quantidade de água injetada, foi determinada uma relação (consumo de água/consumo de carvão) ideal para a sulfatação. Não um ponto, mas sim uma região ideal para injeção de gotas foi estabelecida. À medida que o ponto de injeção é deslocado para frente no interior do canal, o percentual de captura de SO2 é favorecido. A taxa de captura é incrementada com o aumento da área BET da pedra calcária e de sua fração molar. Contudo, para um dado conjunto de parâmetros existe um limite superior no percentual de captura proporcionado pela temperatura do meio, e conseqüente tendência ao equilíbrio químico.