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AC 285 Elementos de Combustão

Conteúdo: Uso de Reatores de Mistura Homogênea para Simulação da Zona Primária de Combustão em Combustores de Turbinas a Gás.

Título: Simulação da Emissão de NOx Baseada em Cinética Química Detalhada para Turbinas a Gás com Combustão

Estagiada.

Baseado na Referência:

LACERDA, G.M.A., LACAVA, P. T., VERAS, Simulação da Emissão de NOx Baseada em Cinética Química Detalhada para Turbinas a Gás com Combustão Estagiada, anais, 2002. I CONEM, 2002.

1. INTRODUÇÃO

desempenho dos motores

Além de questões como o consumo de combustível, eficiência de operação e segurança, o estudo do processo de combustão em turbinas a gás enfocando o controle da emissão de poluentes, tornou-se um assunto extremamente importante nos dias atuais em virtude dos impactos da poluição atmosférica e, como consequência, das exigências cada vez mais estreitas dos órgãos controladores. Desde a década de sessenta pesquisadores e engenheiros buscam desenvolver novas tecnologias capazes de atender à essas exigências; no entanto, procurando manter as necessidades de

Independente do tipo de câmara de combustão, três regiões são destacadas (Lefebvre, 1983).

Na região primária desenvolve-se a maior parte das reações de combustão, sua função é manter a chama estável e prover tempo, temperatura e turbulência suficientes para atingir a completa oxidação do combustível. A zona secundária, ou intermediária, para os motores estacionários ou aeronáuticos operando em baixas altitudes serve como uma região onde as perdas por dissociação do fluxo gasoso podem ser recuperadas. Em altitudes elevadas, ou seja, baixa pressão, a zona intermediária serve principalmente como uma extensão da zona primária, uma vez que a taxa de reação diminui; conseqüentemente a combustão não se completará ao final desta região. A terceira região, ou de diluição, tem como função admitir o ar remanescente proveniente do compressor, diluir este com os gases quentes provenientes da zona intermediária, atender os requisitos de resfriamento da parede e prover uma corrente de saída à baixa temperatura e com uma distribuição aceitável para a turbina.

Como a maior parte das reações de combustão ocorrem na região primária da câmara, é nesta região que se desenvolve os mecanismos reacionais de formação de poluentes e, como consequência, as medidas para combatê-los através de alterações no processo de combustão também devem ser feitas nesta região. Desde a década de 70, passou-se a ter uma grande preocupação com as emissões de NOx (termo utilizado para designar a quantidade total de óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2)) pois, além de, como o SO2, provocar a chuva ácida, é um componente importante das reações fotoquímicas que levam à formação de ozônio (O3).

Desde então, há uma incessante busca de estratégias que visam conciliar as emissões de NOx com as dos compostos de oxidação parcial. As condições de queima afetam diretamente o mecanismo reacional de formação de cada poluente. No entanto, cada mecanismo responde de uma maneira particular, o que impede que uma simples modificação no processo consiga conciliar a redução da emissão de diversos poluentes. Um exemplo disso é o comportamento divergente da emissão de

NOx em relação às emissões de CO e UHC, em função da razão de equivalência. A Fig. (1) apresenta o comportamento qualitativo típico das emissões de NOx, CO e UHC em turbinas a gás (Lefebvre, 1983).

O NOx emitido durante a combustão depende da composição do combustível, do modo de operação e do projeto dos queimadores e da câmara de combustão. Cada um desses parâmetros é significativo em relação ao nível final de NOx emitido. A formação deste poluente é atribuída a duas fontes distintas, O NOx atmosférico e o NOx do combustível (Wood, 1994). O NOx atmosférico é formado a partir da oxidação do N2 do ar atmosférico, seguindo principalmente dois mecanismos de formação: o NOx térmico, sendo seu esquema reacional proposto inicialmente por

Zeldovich e colaboradores (1947) e o "prompt” NOx, formado na região de frente de chama, cujo esquema reacional foi proposto por Fenimore (1971). O NOx do combustível é formado a partir da quebra das ligações do nitrogênio presente no combustível e reação com oxigênio. Em geral, o maior meio de formação do NOx é através do mecanismo térmico, chegando a representar até 70% do NOx total, principalmente quando o combustível está livre de nitrogênio. A taxa de formação de NO é dada pela Eq. (1), onde se nota a sua dependência com a temperatura, com o tempo e, de forma menos intensa, com as concentrações de O2 e N2.

Figura 1. Comportamento qualitativo entre as emissões de NOx, CO e UHC.

Desta forma, fica evidente que a melhor maneira de se controlar a formação do NO térmico é evitar picos de temperatura na região primária da câmara. A importância da temperatura elevada para formação do NO, acima de 1500oC, decorre do fato da reação que inicia o mecanismo de Zeldovich, possuir elevada energia de ativação, conforme Miller e Bowman (1989). Uma maneira de se controlar a presença de picos de temperatura na câmara é promover uma combustão estagiada, ou seja, injeção gradativa de um dos reagentes, diminuindo o tempo que os gases permanecem em temperatura elevada. Se o ar for adicionado gradativamente, inicialmente a combustão será rica em combustível, com temperatura mais baixa; portanto, com baixa formação de NO, mas formando produtos de oxidação parcial como CO e UHC. A medida que o ar vai atingindo a região de queima, esses compostos de oxidação parcial vão reagindo mas sem que a temperatura atinja valores suficientes para formação de NO em grande escala. A Fig. (2) representa esse processo e as regiões da câmara de combustão.

Figura 2. Esquema de uma câmara de combustão evidenciando a zona primária com múltiplos estágios.

O presente trabalho apresenta uma avaliação teórica empregando a química detalhada para prever a formação de poluentes e a câmara de combustão é aproximada como formada por uma série de reatores de mistura homogênea. Nesse modelo, considera-se que o nível de turbulência da câmara elevado tal que a os regentes são perfeitamente misturados e o tempo de desenvolvimento dos processos químicos é bem maior que o tempo de desenvolvimento dos processos mecânicos, ou seja, os processos químicos é que controlam o desenvolvimento da combustão.

2. MODELO DO REATOR DE MISTURA HOMOGÊNEA

Para estudos de emissão de poluentes, em razão da complexidade dos mecanismos reacionais envolvidos, faz-se necessário utilizar um modelo baseado cinética química. O presente estudo foi realizado utilizando o programa computacional CHEMKIN I (Kee et al., 1992), associado a subrotina PSR (Glarborg et al., 1992) que simula reatores de mistura homogênea (“Perfectly Stirred Reactor” na língua inglesa). O mecanismo utilizado para combustão do hidrocarboneto foi o de Glarborg e Hadving (1991). A descrição do processo que ocorre num reator de mistura homogênea (PSR) é obtida relacionandose a conservação da massa e energia com a geração líquida das espécies químicas no volume do reator. A Fig. (3) representa esquematicamente em reator de mistura homogênea. As equações de conservação das espécies e da energia são dadas, respectivamente, por:

( ) 0QhYhYm K

onde: Yk é a fração de massa da k-ésima espécie (num total de K espécies), Wk é o peso molecular da k-ésima espécie, V é o volume do reator,kω& é a taxa molar de produção através de reação química da k-ésima espécie por unidade de volume, hk é a entalpia específica da k-ésima espécie, Q é o calor perdido do reator e o sobrescrito * indica as condições na entrada. O tempo de residência nominal é relacionado com o volume do reator V e o fluxo de massa por:

(4)

onde a densidade específica ρ é calculada da equação de estado dos gases ideais. O tempo de residência normalmente é usado como um parâmetro característico do reator no lugar do fluxo de massa. A taxa líquida de produção química kω& de cada espécie resulta de uma competição entre todas as reações químicas que envolvem tais espécies. As Eq.’s (2) e (3) formam um conjunto de

K+1 equações algébricas não-lineares cuja solução traz a temperatura e as frações em massa.

Figura 3. Representação esquemática de um reator de mistura homogênea.

Mesmo que se procure soluções em regime estacionário das equações descritas, o algoritmo computacional sempre requer uma solução parcial para o problema transiente relacionado. A equação análoga dependente do tempo para a conservação da massa de cada espécie é:

( ) VWYYm dt

(5)

Através de um balanço de energia chega-se à forma da equação transiente da energia, para qual existe solução:

QWhhhY1 dt dTc k K

kp ρ− ρ onde cp é o calor específico médio. O problema transiente é um problema de valor inicial para uma equação diferencial ordinária não-linear. As soluções desta e das equações em regime permanente são obtidas através de método numérico (no caso do PSR foi empregado o algoritmo de Newton).

3. RESULTADOS 3.1. Influência da Razão de Equivalência e Tempo de Residência

Nas simulações considerou-se o processo como adiabático, apesar do modelo contemplar a troca de calor através da fronteira do volume de controle, pressão na câmara igual a 35atm, temperatura do ar na entrada da câmara igual 500K e o combustível como sendo C12H26. Os resultados das frações molares dos compostos de interesse são apresentados em função do tempo de residência do(s) reator(s). Inicialmente a câmara de combustão foi simulada como sendo apenas um reator e variou-se o tempo de residência e a razão de equivalência (Fi) dos reagentes. O intuito dessas simulações foi verificar a influência dos parâmetros variados nas formações de NO e CO. As Fig.s (4) e (5) mostram as frações molares de CO e NO, respectivamente, em função do tempo de residência para diversas razões de equivalência.

F r ação m olar de

Tempo de residência (s)

Figura 4. Emissão de CO (fração molar) em função do tempo de residência para diversas razões de equivalência.

Conforme mostram as curvas da Fig. (4), para valores de Fi entre 0,6 e 1,0 rapidamente o CO atinge sua concentração de pico, em função das reações iniciais de quebra do combustível em CO,

H2 e hidrocarbonetos mais leves (CH4, C3H6, etc.). Na seqüência, parte do CO é convertida a CO2, até atingir sua concentração de equilíbrio. Quanto mais pobre for a combustão (Fi = 0,6) maior será o tempo necessário para que a concentração de equilíbrio seja atingida, pois as velocidade das reações de conversão do CO em CO2 diminuem com a redução da temperatura, em virtude do excesso de oxidante. Para valores de Fi acima de 1,0, ou seja, combustão rica, a concentração de

CO atinge valores extremamente elevados em função de escassez de oxidante. Por outro lado, as curvas da Fig. (5) mostram que para as condições de combustão extremamente ricas ocorrem as menores frações molares de NO. Para valores de Fi abaixo do estequiométrico, combustão pobre, o mecanismo predominante de formação do NO é o de Zeldovich (térmico), altamente dependente da temperatura, em razão da elevada energia de ativação requerida pela sua reação inicial. Por outro lado, para a combustão rica, o mecanismo predominante de formação é o “prompt”, muito menos dependente da temperatura do que o mecanismo térmico. No entanto, apesar da menor dependência do mecanismo “prompt” com a temperatura, para condições excessivamente ricas, Fi > 1,5, a limitação da formação de NO é devido à baixa concentração de oxigênio.

Para as condições de combustão pobre e próxima à estequiometria, quanto maio for o tempo de residência, maior será o NO formado. Tal fato ocorre em razão das reações químicas do mecanismo de Zeldovich serem lentas quando comparadas com as reações de combustão. Por outro lado, na situação de combustão rica, para φ > 1,5 o tempo de residência é favorável à redução do NO. Em chamas ricas, o NO pode ser convertido em N2 através da reação intermediária CH + NO → HCN +

O, que converte o NO em HCN, sendo este último finalmente reduzido a N2. Spliethoff et al. (1996) também relataram que o aumento de temperatura em regiões ricas, acima de 1400K, acelera a taxa de decomposição dos compostos nitrogenados, diminuindo a emissão de NOx. Os resultados apresentados nessa seção sobre a emissão de CO e NOx mostram que o tempo de residência é um parâmetro fundamental no projeto de câmaras de combustão de motores a jato com baixa emissão de poluentes.

F r ação m olar de

Tempo de residência (s)

Figura 5. Emissão de NO (fração molar) em função do tempo de residência para diversas razões de equivalência.

3.2. Combustão Estagiada

Conforme comentado anteriormente, a zona primária da câmara de combustão é responsável pela maior parte das reações químicas, consequentemente também corresponde a região de maior formação de poluentes. Assim, para o presente trabalho o modelo de reator de mistura homogênea contemplou apenas a zona primária da câmara. Além disso, normalmente a razão de equivalência global da zona primária das câmaras de combustão de turbinas a gás tem valor igual ao estequiométrico (Fi = 1), para que taxa das reações seja alta e que elas e se finalizem ainda nessa região. Desta forma, os resultados apresentados nesta seção são para situação onde o ar é gradativamente adicionado à zona primária da câmara, de tal forma que o total de ar adicionado ao final dessa região corresponda ao valor estequiométrico.

Considerando os resultados obtidos na seção anterior, constatou-se que as menores emissões de

NO ocorrem para combustão onde a mistura empregada é rica, ou seja, há excesso de combustível. Desta forma, deu-se ênfase para combustão rica ao longo do estagiamento, ou seja, adição estagiada de ar. A simulação foi feita para a zona primária de uma câmara com cinco estágios de adição de ar; tal número foi escolhido por se tratar de um valor adequado para avaliar os efeitos da temperatura e do tempo de residência à medida que o oxidante é injetado. A estratégia utilizada para a analise foi a seguinte: no primeiro estágio variou-se razão de equivalência, enquanto que para os demais estágios a vazão mássica de oxidante foi igualmente distribuída até que o total de ar adicionado nos cinco estágios fosse o estequiométrico. Novamente, a pressão na câmara e a temperatura do ar adicionado foram admitidas como sendo 35atm e 500K, respectivamente, valores compatíveis com as das câmaras de combustão dos motores reais.

Além dos dados iniciais de temperatura, pressão e frações molares dos reagentes, o modelo ainda necessita de mais dois parâmetros de entrada, que podem ser a vazão mássica de reagentes e o tempo de residência (tau) ou a vazão mássica de reagentes e o volume do reator. Se vazão e tempo são os parâmetros escolhidos o próprio programa irá calcular o volume do reator, caso seja vazão e volume o cálculo será do tempo. No presente trabalho pretendeu-se que os resultados alcançados pudessem ser generalizados para motores de qualquer porte; desta forma, os resultados foram apresentados em função do tempo de residência, pois de um motor para outro a vazão de reagentes e o volume da câmara variam com a potência, mas a combinação desses dois parâmetros, mais temperatura e pressão, acabam mantendo o tempo de residência na mesma ordem. Mas como é necessária a vazão mássica de reagentes como parâmetro de entrada no programa, utilizaram-se os dados de vazão do motor PRATT & WHITNEY – PT6A-67; no entanto, como já comentado, os resultados são apresentados em função do tempo de residência e podem ser generalizados para outros motores.

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