Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Brasília, 2013. / Submitted by Camila de Sousa (myla.sousa@hotmail.com) on 2014-07-17T15:02:57Z No. of bitstreams: 1 2014_JuanEstebanGarciaSierra.pdf: 2892573 bytes, checksum: 12a9b3a25921a9ffed8200d0e3f2ed94 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2014-07-18T12:16:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_JuanEstebanGarciaSierra.pdf: 2892573 bytes, checksum: 12a9b3a25921a9ffed8200d0e3f2ed94 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-07-18T12:16:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_JuanEstebanGarciaSierra.pdf: 2892573 bytes, checksum: 12a9b3a25921a9ffed8200d0e3f2ed94 (MD5) / Confirmando-se as previsões de esgotamento das grandes reservas de petróleo e gás natural, o carvão poderá mais uma vez tornar-se a fonte principal de combustível fóssil no mundo. Mas, com seu emprego em larga escala será necessário o desenvolvimento de técnicas de captura e armazenamento de dióxido de carbono. Recentemente vem-se desenvolvendo pesquisas sobre novas tecnologias para a produção de energia mais limpa a base de carvão e uma delas é a oxi-combustão. Esta tecnologia é baseada na queima de combustíveis em uma atmosfera oxidante (livre de nitrogênio). A combustão de carvão com oxigênio puro produz um gás rico em CO2 e vapor de água, com substancialmente baixas concentrações de NOx. Permitindo assim, uma fácil separação e captura do CO2 para depois ser comprimido, transportado e armazenado. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta um estudo detalhado da combustão de partículas de carvão colombiano betuminoso em atmosferas O2/NO2 (ar atmosférico) e O2/CO2 (oxi-combustão), através de simulações numéricas computacionais mostrando o efeito da substituição de N2 por CO2 na combustão de carvão em partículas. As equações de conservação de massa, energia, movimento e espécies (para uma geometria bidimensional), transiente, são resolvidas numericamente por um método de volumes finitos baseado em elementos. No equacionamento, considera-se a partícula como um meio poroso que pode se modificar devidos os processos de pirólise, combustão e gaseificação. A partir das simulações são analisadas temperatura, conversão de massa, reatividade, velocidade dos gases de combustão e fração mássica de O2, CO2, CO, H2O e N2, para todos os instantes de tempo da combustão da partícula. Todos esses parâmetros são apresentados para diferentes composições do gás oxidante (o ar atmosférico e varias concentrações de O2 na mistura O2/CO2). No final do trabalho se verifica que as predições numéricas mostraram excelente concordância com resultados experimentais e teóricos publicados na literatura especializada no assunto. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Confirming the predictions about large oil and natural gas reserves depletion, coal may once again become a major source of fossil fuel in the world. The large-scale use of coal, will probably be associated with techniques for capturing and storing carbon dioxide. Recently it has been developing research about new technologies for cleaner energy production from coal, and one of them is oxy-fuel combustion. This technology is based on fuel combustion in an oxidizing atmosphere (free of nitrogen). The coal combustion with pure oxygen produces a rich gas of CO2 and water vapor, with substantially lower concentrations of NOx, allowing easy separation and CO2 capture, so then it can be compressed, transported and stored. Within this context, this work aims to present a detailed study of the combustion of bituminous Colombian coal particles in O2/N2 (atmospheric air) and O2/CO2 (oxy-fuel) atmospheres, through computational numerical simulations showing the effect of replacing N2 by CO2 in the coal combustion of coal particles. The equations of mass conservation, energy momentum and species (for a two-dimensional geometry), transient, are solved numerically by a finite volume method based on finite elements. In the equation, the particle is considered as a porous material that can change due to the pyrolysis, combustion and gasification processes. From the simulations are analyzed temperature, mass conversion, reactivity, combustion rate gases and mass fraction of O2, CO2, CO, H2O and N2, for all time instants of the particle combustion. All these parameters are presented for different compositions of the oxididant gas (atmospheric air and several concentrations of O2 in O2/CO2 mixture). At the end of the work it is found that the numerical predictions shows excellent agreement with experimental and theoretical results published in literature. _______________________________________________________________________________ RESUMEN / Confirmadas las previsiones de agotamiento de las grandes reservas de petróleo y gas natural, el carbón podrá convertirse nuevamente en la principal fuente de combustible fósil del mundo. Sin embargo, para el uso de éste a gran escala será necesario el desarrollo de técnicas de captura y almacenamiento de dióxido de carbono. Las investigaciones Recientes apuntan al desarrollo de nuevas tecnologías para la producción de energía limpia a base de carbón y una de ellas es la oxi-combustión. Esta tecnología se basa en la quema de combustibles en una atmósfera oxidante (libre de nitrógeno). La combustión de carbón con oxígeno puro genera un gas rico en CO2 y vapor de agua con bajas concentraciones de NOx, permitiendo así una fácil separación y captura de CO2 para después ser comprimido, transportado y almacenado. Dentro de este contexto, el presente trabajo exhibe un estudio detallado de la combustión de las partículas de carbón bituminoso colombiano en atmósferas de O2/NO2 (aire atmosférico) y O2/CO2 (oxi-combustión), a través de simulaciones numéricas computacionales mostrando el efecto de reemplazar N2 por CO2 en la combustión de las partículas de carbón. Las ecuaciones de conservación de masa, energía, movimiento y especies (para una geometría bidimensional), transitorio, son resueltas numéricamente por un método de volúmenes finitos basado en elementos. En las ecuaciones, la partícula es considerada como un medio poroso que puede cambiar debido a los procesos de pirólisis, gasificación y combustión. A partir de las simulaciones son analizadas temperatura, conversión de masas, reactividad, velocidad de los gases de combustión y fracción de masa de O2, CO2, CO, H2O y N2 para todos los instantes de tiempo de la partícula en combustión. Todos estos parámetros serán presentados para diferentes composiciones del gas oxidante (aire atmosférico y diversas concentraciones de O2 en la mezcla de O2/CO2). Al final del trabajo se encuentra que las predicciones numéricas mostraron una excelente concordancia con los resultados experimentales y teóricos publicados la literatura especializado en el asunto.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2010. / Submitted by Allan Wanick Motta (allan_wanick@hotmail.com) on 2011-05-13T18:00:01Z No. of bitstreams: 1 2010_FábioAlfaiaDaCunha.pdf: 10474668 bytes, checksum: e87f5a73701689fa44cde8c7cef9dc7d (MD5) / Approved for entry into archive by Luanna Maia(luanna@bce.unb.br) on 2011-05-19T13:35:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_FábioAlfaiaDaCunha.pdf: 10474668 bytes, checksum: e87f5a73701689fa44cde8c7cef9dc7d (MD5) / Made available in DSpace on 2011-05-19T13:35:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_FábioAlfaiaDaCunha.pdf: 10474668 bytes, checksum: e87f5a73701689fa44cde8c7cef9dc7d (MD5) / Combustão e gaseificação de sólidos (carvão mineral e biomassa) representam uma considerável parte na geração de eletricidade no mundo, com destaque para a China e EUA, as duas maiores economias entre todos os países. Estrategicamente, pesquisa e desenvolvimento de tecnologias associadas à captura e ao armazenamento de carbono estão sendo conduzidas por importantes grupos, com destaque para o Laboratório Nacional de Tecnologia da Energia do Departamento de Energia dos EEUU objetivando o emprego mais limpo deste insumo energético. No Brasil, os esforços objetivam, principalmente, intensificar o uso do carvão nacional cujas características o diferenciam daqueles comumente usados em plantas de potência no exterior. Nos combustores e reatores de gaseificação, os principais processos termoquímicos, de transferência de calor e de massa observados em partículas de carvão ocorrem similarmente em biomassa particulada. Predições numéricas destes processos intrínsecos da transformação de carvão mineral e biomassa são indispensáveis no projeto de plantas de potência mais limpas e eficientes. Em linhas gerais, esta tese aborda este problema. Especificamente, o trabalho apresenta um modelo matemático apropriado para simular os principais processos termoquímicos que ocorrem na combustão e gaseificação de partícula sólida, em regime de baixo número de Reynolds. As equações de conservação de massa, energia e momentum (geometria bidimensional), transiente, são resolvidas numericamente por um método aprimorado de volumes finitos baseado em elementos finitos. Neste trabalho, importantes modificações, algumas inéditas, foram sugeridas e praticadas no método numérico para melhorar e acelerar a convergência do mesmo. A despeito da natureza multifásica do problema, o domínio computacional foi resolvido diretamente, por meio de formulação baseada no conceito de porosidade do meio. Como consequência, condição de contorno na superfície que separa as fases (sólida e gasosa) não se fez necessária. A fase condensada foi modelada com auxílio de uma estrutura bimodal que permite equacionar alterações na estrutura do sólido pelos processos de pirólise, combustão e gaseificação. O modelo proposto foi então extensivamente validado e aplicado no estudo da secagem, pirólise e combustão de partícula de turfa e biomassa. As predições numéricas mostraram excelente concordância com resultados experimentais e teóricos publicados na literatura especializado no assunto. O modelo proposto, com elevado grau de ineditismo, tornou-se uma ferramenta importante para o estudo teórico da queima e gaseificação de combustíveis sólidos pulverizados. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Combustion and gasification of solids fuels (coal and biomass) represent an important share of the world´s electricity production, especially in China and USA, the largest economies of all the countries. Intensive research is being conducted to develop carbon capture and storage (CCS) technologies for existing and future coal power plants, such as that of the Department of Energy, National Energy Technology Laboratory (DOE/NETL) from the United States. This would allow cleaner use of such feed-stock for many years to come. Research efforts, also in Brazil, would help increase the use of the national coal whose characteristics, compared to that commonly used worldwide in coal fired power plants, place another technological challenge. In boilers and gasifiers, the major thermochemical, heat and mass transfer processes that occur in coal particles are, to some extent, similar to that of particulate biomass consider for energy conversion. Numerical predictions of these processes would help designing even cleaner and more efficient coal/biomass-based power plants. This thesis presents a comprehensive mathematical model to simulate combustion and gasification of solid fuel particle in low Reynolds number regime. The conservation equations for mass energy and momentum (two dimensional geometry), unsteady, are solved numerically by an enhanced Control Volume Finite Element Method. A series of modifications to improve and accelerate convergence of the CVFE method were proposed and implemented in the present thesis. Despite the multiphase nature of the problem, the computational domain was solved directly by means of a porosity formulation. Following that, there was no need of gas/solid boundary conditions. The condensed phase was modeled by means of a bimodal porous structure for pyrolysis and combustion/gasification processes. After model validation, the code was applied for single particle drying, pyrolysis and combustion studies of biomass and peat. Numerical predictions showed good agreement with experimental and published data of the peat and biomass combustion literature. The proposed model, all together, can be considered a novel advanced means of studying solid fuel combustion and gasification processes.