Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Trabalho financiado por PRODEP III e FCT / Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

Submitted by Dilene Paulo (dilene.fatima@ufcg.edu.br) on 2018-02-05T12:19:11Z No. of bitstreams: 1 JORGE lUIZ MOURA DOS SANTOS – DISSERTAÇÃO PPGEQ 2009.pdf: 1242850 bytes, checksum: 4b01984b14177e53d87f83f20fe95699 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-05T12:19:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JORGE lUIZ MOURA DOS SANTOS – DISSERTAÇÃO PPGEQ 2009.pdf: 1242850 bytes, checksum: 4b01984b14177e53d87f83f20fe95699 (MD5) Previous issue date: 2009 / O processo de combustão tem grande importância para o desenvolvimento industrial. Nos últimos anos o setor industrial Brasileiro vem sofrendo seguidos aumentos no preço do gás natural e a legislação ambiental é cada vez mais restritiva, principalmente no que tange a emissões atmosféricas. O setor industrial, principalmente as empresas que tem como concorrência direta os produtos importados, concorre cada vez mais com mercados competitivos sendo necessária a redução de custos variáveis de produção. Tanto do ponto de vista econômico como ambiental é fundamental o profundo conhecimento e controle das reações de combustão que ocorrem nas fornalhas de craqueamento para a adoção de medidas de maior eficiência energética que resultem um aproveitamento mais racional de energia e uma menor disposição de poluentes como, por exemplo, CO e NOx. Este trabalho apresenta uma analise metodológica estruturada para avaliar a eficiência da combustão em uma fornalha de craqueamento de 1,2 Dicloroetano pelos métodos direto e indireto, assim como as perdas térmicas na fornalha e a carga efetivamente útil para o sistema. A eficiência de uma fornalha é obtida pela determinação da percentagem da energia fornecida para a fornalha e as percentagens de perdas térmicas devido aos vários fenômenos naoperação da fornalha. / The Combustion process has great importance to the industrial development. In recent years the Brazilian Industrial sector comes suffering increases in the prices from the natural gas and the environment legislation is each more restrictive time. The sector industrial mainly the companies who have as direct competition the imported products concur each time more with competitive market being necessary the reduction of changeable costs of production. As much of the economic point of view as environment is basic the deep knowledge and control of the combustion reaction that occur in the cracking furnace for the adoption of measures of bigger energy efficient that a more rational exploitation of the energy and a lesser disposal of pollutants results as for example CO and NOx. This work presents a structuralized methodological analyzes to evaluated the combustion´s efficiency in a cracking furnace of 1,2 Ethane Dichloride for the direct and indirect method as well as the thermal losses in the furnaces and the effectively useful load for the system. The efficiency of a furnace is gotten by the determination of the percentage of the energy supplied to the furnace and the percentages of thermal losses due some phenomena in the operation of the furnace. The evaluated thermal losses in this work had been the losses of the gases of combustion, the wall of the furnace and the losses due to the fuel that did not burn. In this work also the behavior of the efficiency of the furnace with the variation of the level of air excess was evaluated for the combustion.

O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T21:00:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275697.pdf: 2335690 bytes, checksum: 1d1fad9944d2e9ef88e4e2254c1b99f9 (MD5) / O conhecimento das propriedades físico químicas das misturas combustíveis é de extrema importância para a evolução dos motores a combustão interna. Dentre os parâmetros de combustão que dependem das várias características físicas e químicas de um processo de combustão em reagentes pré-misturados está a velocidade de queima. Esta tem influência direta na taxa de liberação de energia e, portanto, no desempenho dos motores a combustão interna de ignição por centelha. A velocidade de queima pode ser medida e estes resultados são utilizados tanto diretamente como referência para o desenvolvimento de câmaras de combustão como para desenvolver modelos de simulação numérica de baixo custo computacional. Em particular, os métodos numéricos devem envolver o acoplamento entre cinética química, equações de transporte e turbulência. Este acoplamento usualmente demanda um grande esforço computacional. Assim, procura-se aplicar modelos físicos e matemáticos que capturem os eventos físicos e/ou químicos de interesse com um custo computacional condizente com os recursos disponíveis. O foco deste trabalho é a combustão de misturas de ar e combustíveis em câmara de volume constante. Esta proporciona a possibilidade da medição da velocidade de queima em regime laminar e turbulento além de possibilitar a validação de modelos numéricos em uma situação mais controlada do ponto de vista de variáveis do problema. Nestes experimentos, a combustão, originada por centelha, pode ser realizada na mistura quiescente ou com diferentes níveis de turbulência inicial. Neste trabalho, analisam-se dois métodos alternativos de determinação da velocidade de queima, um método ótico e outro baseado na evolução temporal da pressão. A análise é baseada em modelos de propagação de chama em uma mistura compressível. Estes métodos são discutidos e as suas capacidades preditivas são comparadas. O método termodinâmico é então aplicado a dados disponíveis na literatura empregando dois algoritmos. Os resultados de cada algoritmo são analisados e recomendações são feitas com relação à sua utilização. Palavras Chave: Velocidade de queima, Combustíveis, Chamas Pré Misturadas, Reator de Volume Constante.

Esta dissertação teve como objetivo o estudo e desenvolvimento da técnica de síntese por combustão em solução para obtenção de nanocristais de alumina, e a caracterização desse material por diferentes técnicas. O estudo da obtenção incluiu o modelamento termodinâmico das reações investigadas e a influência da razão combustíveloxidante no tamanho de partícula. A síntese da alumina por combustão foi realizada a partir do par precursor químico glicina-nitrato de alumínio em água, para diferentes razões combustível-oxidante, temperaturas de chama e número total de moles gasosos, relacionando esses parâmetros com tamanho de cristalito no pó, deformação de rede, área superficial e porosidade total. As reações químicas de combustão em solução resultaram na formação in situ de fases metaestáveis de Al2O3 para o pó como-sintetizado. A fase Al2O3-α, cuja formação não ocorreu nem na presença de um extra-oxidante, somente foi obtida após um tratamento térmico a 1100°C do pó como-sintetizado. O modelamento termodinâmico da reação de combustão em solução mostrou que quando a razão combustível-oxidante aumenta, obtém-se uma elevação da temperatura de chama adiabática e da quantidade de gás produzida, definindo características do particulado como morfologia, tamanho de cristalito, área superficial e nível de aglomeração. A caracterização do pó utilizou técnicas como análise termodiferencial (ATD) e termogravimétrica (ATG), granulometria por dispersão de laser (GDL), BET para análise de área superficial e porosidade total, difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os pós de alumina alfa obtidos apresentaram-se como constituídos de cristalitos nanométricos, dispostos na forma de agregados de tamanho micrométrico. O tamanho de cristalito médio, calculado pelo método de Williamson-Hall, a partir de dados de análises por DRX, foi de 97 nm, e deformação média calculada de 5x10-3 % A análise granulométrica dos pós como-sintetizados verificou um tamanho de aglomerado de 40 µm, com distribuição monomodal. As análises por MEV e MET confirmaram a aglomeração das partículas do pó como-sintetizado, a partir de partículas com morfologia irregular.

Um dos grandes desafios tecnológicos deste século é encontrar fontes alternativas de energia. A utilização de resíduos de couro (biomassa) para a geração de energia torna-se atraente em função do seu poder calorífico, bem como pelas características das cinzas geradas, que podem ser utilizadas em outros processos produtivos, entre eles, a produção de sulfato básico de cromo. A partir de uma parceria entre agências de fomento e empresas foi projetada e construída a planta piloto (350 kWtérmico) para processar resíduos de couro. A operação da planta piloto iniciou em agosto de 2003. Ao longo deste período foram tratados em torno de 200 toneladas de resíduo em mais de 2.500 h de operação. Os resíduos de couro gerados pela indústria calçadista são considerados perigosos devido à presença de cromo trivalente, oriundo do sal utilizado no curtimento das peles. No Brasil a maior parte destes resíduos são dispostos em aterros, sendo que somente 3% são reciclados. Em 2005 a produção brasileira de calçados, destinada ao mercado interno, foi de 755 milhões de pares, enquanto o setor produziu 212 milhões de pares para a exportação. O estado do Rio Grande do Sul, localizado na região sul do Brasil, concentra 40% da produção nacional de calçados, sendo responsável por 75% das exportações brasileiras de calçados. O setor calçadista Brasileiro gerou 166 mil toneladas de resíduos em 2005, sendo que, em torno de 50% são de produtos que possuem cromo. Em 2004 o Brasil foi responsável por 5 % da produção e de 2,5% das exportações mundiais de calçados. A gaseificação é um processo de conversão térmica para produzir, a partir de combustíveis fósseis, biomassa e resíduos, um gás combustível ou um gás de síntese para posterior utilização. No processo podem ser usados diferentes tipos de agentes de gaseificação, entre eles o ar, O2 e uma mistura ar-vapor de água. Atualmente existem em torno de 160 plantas de gaseificação operando no mundo e cerca de 35 em estágio de planejamento. Cerca de 22% das plantas em operação e 71% das plantas em fase de planejamento são para a produção de eletricidade. Além de eletricidade pode-se produzir hidrogênio, amônia, metanol, entre outros produtos nestas plantas. A gaseificação é um processo atrativo por diminuir a possibilidade de formação de PCDD/F devido às condições redutoras (subestequiométrica). Em gaseificadores cocorrente o conteúdo de alcatrão no gás combustível é reduzido, pois os produtos da pirólise são parcialmente oxidados na zona de reação. Pesquisas a respeito da gaseificação de diversos tipos de combustíveis vêm sendo desenvolvidas nos últimos anos, principalmente em relação a carvão, resíduos, e biomassa, porém são raros os estudos em relação à gaseificação de resíduos de couro. O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho de uma planta piloto para o processamento de resíduos de couro. A planta piloto constitui-se basicamente de um reator de gaseificação, um reator de oxidação e um sistema de controle de poluição do ar. Neste trabalho foi feita a avaliação das emissões do gaseificador e a caracterização das cinzas e das emissões atmosféricas. Paralelamente foi realizada a avaliação da taxa de corrosão de diferentes materiais metálicos em contato com o gás efluente da planta piloto. / One of the great technological challenges of this century is to identify alternative energy sources. The utilization of leather wastes (biomass) to generate energy becomes interesting due to its heating value, as well as for the characteristics of the ash generated, which could be used in other processes such as the production of basic chromium sulfate. Resulting from a partnership between research agencies and private businesses, a semi-pilot unit (350 kWth) was designed and built to process leather wastes. The operation of this semi-pilot unit started in August, 2003. During this period, approximately 200 tons of wastes were treated in over 2,500 h of processing. The leather wastes generated by the footwear industry are considered dangerous due to the presence of trivalent chromium, derived from the salt utilized to tan the hides. In Brazil, the majority of these wastes are disposed of in landfills and only about 3% are recycled. In 2005, the Brazilian production of footwear for the domestic market was 755 million pairs, while 212 million pairs were produced for export. The state of Rio Grande do Sul, located in Brazil’s southern region, concentrates 40% of the country’s footwear production, and is responsible for 75% of its footwear exports. The Brazilian footwear sector generated 166 thousand tons of wastes in 2005, of which nearly 50% are products that contain chromium. In 2004, Brazil was responsible for 5% of the world’s footwear production and for 2.5% of its footwear exports. Gasification is a thermal conversion process to produce, from fossil fuels, biomass and wastes, a combustible gas or a synthesis gas for subsequent utilization. In the process, several different types of gasification agents may be utilized, among these are air, O2 and air/steam. There are currently approximately 160 gasification plants in operation in the world, and another 35 are being planned. Approximately 22% of the operating plants and 71% of those being planned are for the production of electricity. Aside from electricity, it is possible to produce in these plants hydrogen, ammonia, syngas and methanol, among other products. The gasification is an attractive process for reducing the possibility of the formation of PCDD/F due to the reducing conditions (substequiometric). In downdraft gasifiers, the tar content in the combustible gas is reduced by a factor of nearly 100, because the pyrolysis products are partially oxidized in the hearth zone. Researches on the gasification of several types of fuels have been conducted in recent years, mostly related to coal, wastes and biomass. However, there are rarely any studies related to leather wastes gasification. The objective of this paper is to evaluate the performance of a semi-pilot unit for the processing of footwear leather wastes. The unit is basically composed of a downdraft gasifier, an oxidation reactor and an air pollution control system. In this work the gasifier’s emissions were evaluated and the ash and the flue gas were characterized. Besides was evaluated the oxidation rate of different metallic materials in contact with the flue gas of the pilot plant.

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma metodologia capaz de descrever o fenômeno de combustão em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, é feita uma revisão bibliográfica sobre as principais técnicas de estabilização de chamas difusivas uma vez que a turbulência, normalmente, torna chamas deste tipo instáveis. Seguindo o critério de maior aplicabilidade prática foram escolhidas, dentre as técnicas de estabilização na camada de mistura, estabilização através do uso de chamas triplas, através da auto-ignição, da modificação da geometria da câmara, da rotação dos reagentes, do uso de chamas Pilot, do uso de faíscas elétricas e do uso de atuadores de plasma, duas para serem simuladas numericamente. As técnicas escolhidas para simulação utilizam rotação dos reagentes e chamas Pilot para estabilização de uma chama de metano/ar no interior de uma câmara de combustão retangular. Estas duas técnicas são consideradas as mais representativas dentre as demais técnicas apresentadas. A introdução ao assunto é feita através da dedução das equações governantes para a combustão. Utiliza-se a teoria de Semenov para determinar os principais parâmetros de ignição de uma chama e então são apresentadas as oito técnicas de estabilização, consideradas mais relevantes, e suas principais características com relação ao mecanismo de estabilização que cada uma utiliza. Descreve-se a forma de discretização e de implementação numérica das equações governantes do problema. Devido ao caráter turbulento do escoamento, faz-se uso da técnica de simulação de grandes escalas (LES) através do método de discretização em diferenças finitas, considerando um domínio tridimensional. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados experimentais presentes na literatura. / The principal objective of this work is to develop a method capable to describe the phenomenon of combustion in turbulent flows. To achieve this goal, a review on the main diffusion flame stabilization techniques is made because the turbulence normally turns such flames unstable. According to the criterium of practical applications it was chosen, among eight techniques, only two to be simulated numerically. The techniques chosen were the swirl and the pilot flames to stabilize the flame of methane/air in a rectangular combustion chamber. These two techniques are considered the most representative among the other presented. The introduction to the subject is made through the deduction of the governing equations for combustion. We use the theory of Semenov to determine the main ignition parameters of a flame and introduce eight of the most relevant stabilization techniques and their main characteristics, with respect to the mechanism of stabilization that each one uses. We describe the discretization process and the num.erical implementation of the governing equations of the problem. Due to the turbulent nature of the flow, we make use of the large eddy simulation technique (LES) with the discretization based on the finite differences method over a three-dimensional domain. The results show good agreement with experimental data found in the literature.

A ampla utilização do calcário na captura do SO2 emitido durante a queima do carvão na geração de energia, fez com que esse material tenha sido objeto de muitas pesquisas nos últimos anos. Entretanto, novos estudos são requeridos a fim de caracterizá-lo como meio dessulfurante sob as condições de combustão e/ou oxicombustão, além de questões antigas ainda não elucidadas. No presente trabalho foram estudados os parâmetros físico-químicos que afetam a calcinação e a dessulfuração para calcários de diferentes composições químicas (dolomito calcítico, calcítico e dolomítico), realizando-se a caracterização técnica e microestrutural desses materiais. Realizou-se inicialmente uma caracterização físico-química, textural e microestrutural dos sorventes in natura em diferentes granulometrias: conforme recebidos, e separados em uma faixa granulométrica, como o passante em peneira de malha ABNT 250 e retido em malha 325. Após, estudou-se a influência das temperaturas de calcinação de 750-1000°C e da dessulfuração em 850°C, com a queima em forno elétrico. Também foi realizada a calcinação em TG/DTA em atmosfera de O2, e em diferentes concentrações de CO2 (12 e 80%) até 1200ºC. A microestrutura foi visualizada em microscópio eletrônico de varredura (MEVEDS). A partir deste trabalho, concluiu-se que os calcários dolomíticos calcinam de maneira semelhante, com predomínio de fraturas de partículas, confirmada pela decrepitação em TG e em diferentes temperaturas em forno. O calcário calcítico apresenta grande porosidade quando calcinado. Partículas de granulometria aproximada apresentam características reativas similares e formam uma camada de sulfato porosa. De uma forma geral, o aumento da concentração de CO2 durante a calcinação em TG/DTA muda a microestrutura da partícula, e além de fraturas há um grande desenvolvimento de porosidade, resultando em grande área específica. Notadamente, o aumento da concentração de CO2 altera as temperaturas de início e término da calcinação. Isto pode levar a uma reavaliação das temperaturas de utilização dos calcários em leitos fluidizados. No entanto, as diferenças microestruturais durante oxicombustão parecem ser menores para os diferentes calcários do que as observadas para calcinados em ar. / Due to the extensive use of limestone in the capture of SO2 emitted during the burning of coal in power generation, this material has been the subject of much research in recent years. However, further studies are required in order to characterize it as a desulfurizing agent, including combustion and/or oxycombustion conditions. In this work was studied physical and chemical parameters that affect the calcination and sulfation for three different limestone in composition, performing the technical and microstrutural characterization of these materials. At the beginning physicochemical, textural and microstructural characterization was conducted in two different particle sizes: as received and the retained between ABNT 250 mesh and 325 mesh. The temperature of calcination was varied from 750°C to 1000°C and the desulfurization was performed at 850°C. The calcination was performed at TGA/DTA equipment under an atmosphere of O2 and different concentrations of CO2 (12 and 80%). The microstructure was visualized in a scanning electron microscope (SEM-EDS). From this work is possible to conclude that after the calcinations processes all the dolomitic limestone were similar with the predominance of particle fracture. The calcitic limestone after calcinated was found with a large amount of porosity. Similar particles sizes shown same reactive characteristics forming a thin sulphate layer around the particles. As the amount of CO2 was increased the porosity was increased faciliting the fracture of the particles and increasing the specific surface area. Notably, the concentration of CO2 changes the start and finish temperatures of calcination. This can lead to a revaluation of the temperatures of lime utilization in fluidized beds. However, during oxycombustion microstructural differences are smaller than the limestone calcinated in air.

Submitted by Diogo Barreiros (diogo.barreiros@ufba.br) on 2017-02-17T15:39:20Z No. of bitstreams: 3 Dissertação Parte 01.pdf: 2043790 bytes, checksum: db69b439545208f9457caa8185db2d82 (MD5) Dissertação Parte 02.pdf: 1723290 bytes, checksum: f59635c2b682e4bce950b29de7f5c523 (MD5) Dissertação Parte 03.pdf: 1845287 bytes, checksum: 8d29fd76bb337f492f0cabccb9f75d3d (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-02-17T15:44:13Z (GMT) No. of bitstreams: 3 Dissertação Parte 01.pdf: 2043790 bytes, checksum: db69b439545208f9457caa8185db2d82 (MD5) Dissertação Parte 02.pdf: 1723290 bytes, checksum: f59635c2b682e4bce950b29de7f5c523 (MD5) Dissertação Parte 03.pdf: 1845287 bytes, checksum: 8d29fd76bb337f492f0cabccb9f75d3d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-17T15:44:13Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Dissertação Parte 01.pdf: 2043790 bytes, checksum: db69b439545208f9457caa8185db2d82 (MD5) Dissertação Parte 02.pdf: 1723290 bytes, checksum: f59635c2b682e4bce950b29de7f5c523 (MD5) Dissertação Parte 03.pdf: 1845287 bytes, checksum: 8d29fd76bb337f492f0cabccb9f75d3d (MD5) / Os motores automotivos utilizam sistema mecânico para acionamento das válvulas de exaustão e admissão. O sistema de acionamento mecânico de válvulas tem se mostrado confiável e eficiente por muitos anos, porém, a falta de flexibilidade para variar tempos e cursos das válvulas é umas das maiores causas da baixa eficiência e alto consumo de combustível nos Motores de Combustão Interna. Atualmente grande importância tem sido dada à redução no consumo de combustível, melhorias no desempenho e redução nos níveis de emissão. Reconhecendo este compromisso, indústrias automotivas juntamente com a comunidade científica estudam tecnologias capazes de viabilizar as Válvulas com Tempos Variáveis (Variable Valve Time - VVT). Entre esses novos tipos de dispositivos estão os sistemas denominados Camless (desprovido de cames) que utilizam atuadores independentes que possibilitam o controle dos movimentos das válvulas. Esta tecnologia promete aumentar a economia de combustível e potência além de reduzir as emissões e custos de fabricação do motor. Este trabalho aborda o desenvolvimento de um atuador eletro-hidráulico capaz de atender a demanda típica de motores automotivos. Mais especificamente, se propõe a atender à necessidade de flexibilização do controle das variáveis envolvidas no processo de combustão em motores de combustão interna. Entre suas principais características, o sistema desenvolvido prioriza as possibilidades de controle independente de cada válvula, variando seus tempos de ciclo, curso e velocidade de assentamento.