Modelagem e simulação fluidodinâmica aplicada à análise do desempenho da planta piloto semi-industrial de leito fluidizado em processos de combustão de carvão mineral com alto teor de cinzas

Abstract

Na matriz elétrica brasileira, as termelétricas vêm sendo utilizadas como fontes de energia complementar. Para minimizar os impactos ambientais na geração de energia a partir do carvão mineral, diversos estudos apontam para o uso da tecnologia de leito fluidizado como uma alternativa flexível, eficiente e limpa. Neste tipo de reator a fluidodinâmica determina a distribuição das partículas e do gás, o que influencia na mistura entre as fases, e consequentemente, na eficiência do processo, porém, não é totalmente compreendida. Baseando-se nisto, esta tese tem como objetivo caracterizar a fluidodinâmica do leito fluidizado borbulhante, a partir de modelos matemáticos e análise experimental. Busca-se desenvolver uma maior compreensão da influência fluidodinâmica no desempenho da planta em processos de combustão do carvão mineral brasileiro, o qual possui alto teor de cinzas. Para isso, os modelos matemáticos foram validados na planta de bancada a temperatura ambiente, e posteriormente, aplicados para a planta piloto a 850 °C. O desempenho de cada operação foi avaliado a partir do rendimento de conversão e teor de carbono residual nas cinzas para diferentes alturas de leito e velocidade superficial do gás. Os resultados obtidos mostram que para a obtenção de um maior tempo de residência, a velocidade superficial do gás mais adequada depende da altura do leito fixo. O teor de carbono residual nas cinzas foi menor para o leito mais alto, o que é explicado pelas características do combustível utilizado e pelo ponto de alimentação do carvão. Não foi observada relação direta entre os coeficientes de troca gasosa para a transferência de massa no leito, com o teor de carbono residual nas cinzas, ou com o rendimento de conversão. Para uma análise mais completa da influência fluidodinâmica no desempenho da planta, a região de freeboard deve ser incluída na modelagem. A análise em planta de bancada a temperatura ambiente foi fundamental para compreender como ocorre a movimentação das partículas e das bolhas. As variações na altura do leito e velocidade do gás geraram diferentes variações nos coeficientes de troca gasosa para a transferência de massa, no tempo de residência e no teor de carbono nas cinzas.

In the Brazilian electric matrix, thermoelectric power plants are used as complementary energy sources. In order to minimize the environmental impacts of coal power generation, several studies point to the use of fluidized bed technology as a flexible, efficient and clean alternative. In this type of reactor, the fluid dynamics determines the distribution of particles and the gas, which influences in the mixing between the phases, and consequently, in the efficiency of the process, however, is not fully understood. Based on this information, this thesis aims to characterize the fluid dynamics of the bubbling fluidized bed, from mathematical models and experimental analysis. Aim to develop a better understanding of the fluid dynamics influence on the plant performance in the combustion processes of the Brazilian coal, which has a high ash content. For this purpose, the mathematical models were validated in the bench plant at room temperature, and later, applied to the pilot plant at 850 °C. The performance of each operation was evaluated from the combustion efficiency and residual carbon content in the ashes for different bed heights and gassurface velocity. The obtained results show that to attain a longer residence time the most suitable gas-surface velocity depends on the height of the fixed bed. The residual carbon content in the ashes was lower in the upper bed, which is explained by the characteristics of the fuel used and the point of coal feeding. Besides, was not observed a direct relation between the gas exchange coefficients for mass transfer in the bed with the residual carbon content in the ashes or with the combustion efficiency. Toward a more complete analysis of fluid dynamics influence on the plant performance, the freeboard region should be included in the modeling. The analysis in bench plant at room temperature was fundamental to understand how the movement of particles and bubbles occurs. The variations in bed height and gas velocity generated different variations in the gas exchange coefficients for mass transfer, residence time and carbon content in the ashes.