Obtenção dos parâmetros cinéticos de combustíveis sólidos a partir de simulação numérica

Abstract

Este trabalho tem como finalidade desenvolver um código no Matlab® que simula unidimensionalmente a combustão de carvão ou biomassa em um forno de queda livre (DTF). O principal objetivo do código, além de estudar os processos físicos e químicos envolvidos na combustão, é determinar os parâmetros cinéticos do combustível em análise, os quais são obtidos através de um processo de otimização com um algoritmo genético. Esse processo é feito variando os parâmetros cinéticos, de forma que a diferença entre o burnout calculado no código e o obtido experimentalmente seja a menor tolerável. Para determinar o burnout ao longo do forno, é necessário simular toda a trajetória das partículas e, por conta disso, o método lagrangeano foi adotado. A obtenção dos parâmetros cinéticos a partir de modelagem numérica é um método alternativo ao da curva de Arrhenius (procedimento tradicional). A abordagem deste trabalho permite considerar uma distribuição granulométrica da amostra, ao invés de apenas um único tamanho característico, fazendo com que os parâmetros calculados sejam mais confiáveis para representar os fenômenos do experimento. O código reproduz resultados muito semelhantes aos encontrados na literatura e é utilizado para calcular os parâmetros cinéticos de um carvão betuminoso. O estudo ainda analisa o efeito dos processos de secagem e fragmentação das partículas nos resultados, tais como os parâmetros cinéticos otimizados, curva de bornout e evolução da distribuição granulométrica. A secagem possui pouca influência nos resultados e a hipótese de secagem instantânea pode ser considerada. Já o processo de fragmentação se mostra relevante para a predição da evolução da distribuição granulométrica ao longo do forno e pode levar a uma diferença de 10% nos valores dos parâmetros cinéticos calculados, se comparado quando a fragmentação é desconsiderada. Além disso, as curvas de bornout apresentam um desvio menor do que 2% com relação aos dados experimentais. Com isso, o código desenvolvido neste trabalho se mostra uma ferramenta importante para o estudo e compreensão da combustão de combustíveis sólidos, de forma a auxiliar softwares CFD (computational fluid dynamics) com a obtenção dos parâmetros cinéticos a partir de uma abordagem numérica.

This work aims to develop a code in Matlab® that simulates one-dimensionally the coal or biomass combustion in a drop tube furnace (DTF). The main objective of the code, in addition to studying the physical and chemical processes involved in the combustion, is to determine the kinetic parameters of the fuel in analysis, which are obtained through an optimization process with a genetic algorithm. This process is done by varying the kinetic parameters, so that the difference between the burnout calculated in the code and that obtained experimentally is as small as possible. To determine the burnout along the furnace, it is necessary to simulate the entire trajectory of the particles and, because of that, the Lagrangean method was adopted. Obtaining kinetic parameters from numerical modeling is an alternative method to that of Arrhenius plot (traditional procedure). The approach of this work allows to consider a granulometric distribution of the sample, instead of just a single characteristic size, so the calculated parameters are more reliable to represent the experiment’s phenomena. The code reproduces results very similar to those found in the literature and is used to calculate the kinetic parameters of a bituminous coal. The study still analyzes the effect of drying and fragmentation of the particles processes in the results, such as the optimized kinetic parameters, burnout curve and particle size distribution (PSD) evolution. The drying has low influence in the results and the hypothesis of instantaneous drying might be considered. The fragmentation process is relevant for the prediction of the PSD evolution along the furnace and can lead to a difference of 10% in the calculated values for the kinetic parameters, if compared when the fragmentation is not taken into account. Furthermore, the burnout curves show a deviation of less than 2% with respect to the experimental data. Thus, the code developed in this work proves to be an important tool for the study and understanding of solid fuel combustion, in order to assist CFD (computational fluid dynamics) softwares to obtain kinetic parameters from a numerical approach.