Modeling and simulation of pollutant generation in the combustion of biodiesel surrogates

Abstract

Contributions in the study about the generation of pollutants in the combustion of renewable fuels are of great relevance in the current environmental and economic scenario; as it seeks to consolidate the consumption of alternative (bio)fuels to replace non-renewable fuels, such as coal, natural gas and oil. The range of renewable resources, in the short and medium term, used in the production of biofuels has increased significantly, ranging from food crops such as soybeans to biomass from algae. Understanding the combustion process and its effects for these new sources of renewable energy is pertinent to guarantee the quality of the biofuel used and the reduction in emissions of atmospheric pollutants. The objective of this work is to carry out a study on the generation of pollutants, NOx and soot, after combustion of a biodiesel surrogate, methyl decanoate − MD, with chemical formulation C11H22O2, as works in this direction are scarce in the literature. For this, a turbulent diffusion flame of methyl decanoate was considered, modeled by the equations of CFD - Computational Fluid Dynamics for reactive fluids. The LES - Large Eddy Simulation technique was applied to model the flow turbulence and the Smagorinsky model was adopted for the turbulent viscosity. The equations were discretized by the finite difference method and the system of equations was solved numerically by the Rosenbrock method. To validate the implemented numerical procedure, in addition to the numerical results for turbulent diffusive flames of MD, numerical tests were also carried out for turbulent methanol diffusive flames. The results obtained agree with data found in the literature.

Contribuições nos estudos acerca da geração de poluentes na combustão de combustíveis renováveis são de grande relevância no cenário ambiental e econômico atual; uma vez que se busca consolidar o consumo de (bio)combustíveis alternativos em substituição aos combustíveis de origem não-renováveis, como o carvão mineral, gás natural e o petróleo. A gama de recursos renováveis, a curto e médio prazos, utilizada na produção de biocombustíveis tem aumentado significativamente, indo de culturas alimentares, como soja, até biomassa proveniente de algas. Compreender o processo de combustão e seus efeitos, para estas novas fontes de energias renováveis é pertinente para que se garanta a qualidade do biocombustível utilizado e a redução nas emissões de poluentes atmosféricos. O objetivo deste trabalho é realizar um estudo sobre a geração de poluentes, o NOx e a fuligem, após a combustão de um substituto do biodiesel, o decanoato de metila − MD, com formulação química C11H22O2, dado que trabalhos nessa direção são escassos na literatura. Para isso, considerou-se uma chama difusiva turbulenta de decanoato de metila, modelada pelas equações da CFD - Dinâmica de Fuidos Computacional para fluidos reativos. Aplicou-se a técnica LES - Large Eddy Simulation para modelar a turbulência do fluxo e o modelo de Smagorinsky foi adotado para a viscosidade turbulenta. As equações foram discretizadas pelo método das diferenças finitas e o sistema de equações foi resolvido numericamente pelo Método de Rosenbrock. Para validação do procedimento numérico implementado, além dos resultados numéricos para chamas difusivas turbulentas de MD, também realizou-se testes numéricos para chamas difusivas turbulentas de metanol. Os resultados obtidos concordam com dados encontrados na literatura.