This study investigates peculiarities of the filtration combustion (FC) of the gaseous fuel-air mixtures in a porous inertia media (PIM). Combustion wave velocities and temperatures were measured for hydrogen-air, propane-air and methane-air mixtures in the PIM at different mixture filtration velocities. It is shown that the dependences of the combustion wave velocities on the equivalence ratio are V-shaped, It was further confirmed that the FC in the PIM has more contrasts than similarities with the normal homogeneous combustion. One of the interesting observations in the present study, which is not common in normal homogenous combustion, is the shifting of the fuel-air equivalent ratio at the minimum combustion wave velocity from the stoichiometric condition (¢ = 1). For a hydrogen-air mixture, the fuel-air equivalence ratio at the minimum combustion velocity shifts from the stoichiometric condition to the rich region, while for the propane-air and methane-air mixtures the fuel-air equivalence ratio at the minimum combustion velocity shifts toward fuel-leaner conditions. The measured maximum porous media temperatures in the combustion waves are found to be weakly dependent on the mixture filtration velocities. In general, the effects of the mixture filtration velocities on the measured maximum porous media temperatures are not significant.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O uso de substrato de vidro para ser utilizado em sistema fotovoltaico à muito comum, no entanto, os substratos sÃo submetidos a elevadas temperaturas como no caso de obtenÃÃo de vidro recoberto com SnO2 (diÃxido de estanho), onde a temperatura de operaÃÃo atinge valores prÃximos a 600ÂC. Desta forma, um estudo do comportamento da dilataÃÃo do vidro em diferentes espessuras e sob a temperatura de 600ÂC foi realizado com o objetivo de observar a influÃncia dos mesmos nos vidros utilizados como substratos e, assim, prevenir os possÃveis defeitos de trinca e quebra de vidro dentro do forno. AlÃm do estudo associado ao vidro, um projeto teÃrico de um pirolisador com essas caracterÃsticas foi idealizado para a obtenÃÃo das camadas de SnO2 sobre o vidro, agregando inovaÃÃes como o uso de gÃs natural queimando em meio poroso como fonte de calor e o uso de um pirolisador para substituir os fornos resistivos. / The use of a glass substrate for use in photovoltaic system is very common, however, the substrates are subjected to high temperatures as in the case of obtaining glass covered with SnO2 (tin dioxide), where the operating temperature reaches values close to 600  C. Thus, a study of the glass expansion behavior with different thicknesses under temperature of 600  C was conducted in order to observe the influence of the same glass used as substrates, and thus, prevent possible defects cracks and broken glass inside the oven. Besides the study associated with the glass, a theoretical design of a pyrolyzer with these characteristics has been designed for obtaining layers of SnO2 on the glass, adding innovations such as the use of natural gas burning in porous media as heat source and the use of a pyrolyzer to replace the resistive furnaces.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / A biomassa lÃquida residual de processos agrÃcolas e agroindustriais em geral representa um recurso renovÃvel em quantidade expressiva sem uma destinaÃÃo econÃmica e ambientalmente sustentÃvel Como exemplo a soluÃÃo quanto aos estoques de glicerina resultante da transesterificaÃÃo de Ãleos vegetais para obtenÃÃo do biodiesel tem sido postergada pela carÃncia de alternativas de engenharia apropriadas ao aproveitamento adequado dessa biomassa Por essa razÃo foi iniciado o desenvolvimento de um reator de gaseificaÃÃo destinado à biomassa lÃquida pela via da oxidaÃÃo parcial onde à empregada uma tecnologia de combustÃo nÃo convencional a CombustÃo de FiltraÃÃo como base de projeto para a concepÃÃo do reator em que a biomassa de referÃncia utilizada foi o glicerol (C3H8O3) Este trabalho eminentemente experimental foi realizado com a construÃÃo de um protÃtipo de reator de gaseificaÃÃo em escala de laboratÃrio em que seu queimador à preenchido completamente por esferas cerÃmicas de alumina (Al2O3) formando assim uma matriz porosa inerte que fica parcialmente imersa no glicerol na sua extremidade inferior e que envolve um trocador de calor instalado na parte superior do reator O processo à investigado no sentido de identificar algumas caracterÃsticas fundamentais de projeto tais como: limite de operaÃÃo do reator em termos de misturas arcombustÃvel; presenÃa de fenÃmenos de instabilidade; velocidade de propagaÃÃo da onda de combustÃo; e influÃncia dos principais parÃmetros de operaÃÃo, razÃo de equivalÃncia taxa de consumo de combustÃvel e vazÃes de ar e Ãgua na reaÃÃo Embora toda a experimentaÃÃo tenha se restringido a ensaiar o gaseificador para produÃÃo de gÃs de sÃntese pelo mÃtodo da oxidaÃÃo parcial a investigaÃÃo teÃrica foi mais abrangente englobando a reforma autotÃrmica Os experimentos respaldados por instrumentos de monitoramento e anÃlise cromatogrÃfica foram apoiados por um estudo teÃrico a partir de um modelo analÃtico simplificado com base na reaÃÃo global de oxidaÃÃo parcial associada à reaÃÃo de deslocamento ÃguaâgÃs Resultados experimentais demonstraram a viabilidade do processo constatando estabilidade operacional em ampla faixa de razÃo de equivalÃncia e eficiÃncia de conversÃo (>20%) do glicerol em gÃs de sÃntese mantendo extraÃÃo de energia da reaÃÃo / The residual liquid biomass from agricultural and agroindustrial processes in general way represents a renewable resource in significant amount without an economically and environmentally sustainable destination For instance the solution concerning glycerin stocks remaining from the vegetable oil transesterification for obtaining biodiesel has been postponed due to the lack of engineering alternatives appropriate to the proper utilization of this biomass Therefore the development of a liquid biomass gasification reactor based on partial oxidation has been initiated where a non conventional combustion technology has been employed Filtration Combustion as a design basis for the reactor conception in which the reference biomass used was glycerol This work eminently experimental was carried out to build a gasification reactor prototype in laboratory scale in which its burner is completely filled by ceramic spheres of alumina (Al2O3) thus forming a inert porous matrix which is partially immersed in glycerol at its bottom end and which involves a heat exchanger installed at the top of the reactor The process is investigated to identify some key design features such as: reactor operation limit in terms of fuel-air mixtures; occurrence of instability phenomena; combustion wave propagation velocity; and influence of the main operation parameters equivalence ratio fuel consumption rate and air and water flow rates into the reaction Although all experimentation has been restricted to test the gasifier for the production of synthesis gas by partial oxidation method theoretical investigation was broader comprising the autothermal reforming The experiments supported by monitoring instruments and chromatographic analysis were supported by a theoretical study based on a simplified analytical model considering the global reaction of partial oxidation associated with water-gas shift reaction Experimental results have demonstrated the feasibility of the process providing operational stability over a wide range of equivalence ratio and conversion efficiency (>20%) of glycerol to syngas while maintaining energy extraction from reaction

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Using Natural Gas or Biogas in natura, containing high hydrogen (H2S) sulfide concentrations, to apply in conventional combustion processes, can cause several damages to equipment. This is due to the fact that it is a very corrosive gas that can form a sulfur acid reaction with water from combustion. In addition, using these fuels without pretreatment can cause instability on reaction, even under flame risk deletion, which implies in efficiency and oxide carbon (CO) and nitrogen oxide (NOx) emission levels. Therefore, this study refers to the experimental method of non-conventional combustion process application, the porous media combustion, also known as filtration combustion, to deal with these special fuels, impossible to use in known thermal systems. A burner all filled with alumina spheres (Al2O3) was the equipment used for these experiments. This inert porous media fills even the heat exchangers located on the ends of the burner. The equivalent ratio, flow velocity and gas composition influence in the process, are experimental analyzed. Preliminary results have suggested that when using an ultra-lean air-fuel mixture, the reaction can remain steady with a good H2S conversion and low CO and NOx emissions. / O uso do gÃs natural ou biogÃs in natura, contendo elevadas concentraÃÃes de sulfeto de hidrogÃnio (H2S), para aplicaÃÃo em processos de combustÃo convencionais, pode acarretar em diversos danos aos equipamentos, devido esse gÃs ser bastante corrosivo e, tambÃm, por formar Ãcido sulfÃrico ao reagir com a Ãgua resultante da combustÃo. AlÃm do que, a utilizaÃÃo dos citados combustÃveis sem um tratamento prÃvio pode ocasionar instabilidade da reaÃÃo, inclusive sob risco de apagamento da chama, o que implica na eficiÃncia e nos nÃveis de emissÃo de monÃxido de carbono (CO) e Ãxido de nitrogÃnio (NOx). Portanto, o presente trabalho refere-se ao estudo experimental da aplicaÃÃo de um processo de combustÃo nÃo-convencional, a combustÃo em meios porosos, tambÃm conhecida como combustÃo de filtraÃÃo (CF), para lidar com esses combustÃveis especiais, impossÃvel para os sistemas tÃrmicos conhecidos. O equipamento utilizado nos experimentos à um queimador, preenchido totalmente por esferas de alumina (Al2O3), em que esse meio poroso inerte envolve inclusive os trocadores de calor localizados nas extremidades do queimador. A influÃncia da razÃo de equivalÃncia, velocidade de escoamento e composiÃÃo do gÃs sob o processo à analisada experimentalmente. Os resultados sugerem que, mesmo utilizando uma mistura ar-combustÃvel ultra pobre, a reaÃÃo pode se manter estÃvel, apresentando boa conversÃo do H2S e baixas emissÃes de NOx.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O aproveitamento do biogÃs e do gÃs natural (GN) com elevadas concentraÃÃes de diÃxido de carbono (CO2) e de sulfeto de hidrogÃnio (H2S), atravÃs de sistemas tÃrmicos de combustÃo convencionais, pode resultar em instabilidade de reaÃÃo ou, atÃ, apagamento da frente de chama, sob risco de avarias irreversÃveis para estrutura fÃsica dos equipamentos, devido aos Ãcidos corrosivos decorrentes da reaÃÃo. Ainda, altas concentraÃÃes desses contaminantes favorecem a ocorrÃncia de elevados Ãndices de gases poluentes nos produtos, a exemplo de monÃxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos nÃo queimados (HC), dentre outros. Por essa razÃo, um estudo experimental foi realizado com base na aplicaÃÃo de uma tecnologia de combustÃo nÃo-convencional, a CombustÃo de FiltraÃÃo, a fim de lidar com esses combustÃveis de baixa qualidade. O aparato experimental empregado nessa pesquisa consiste de uma caldeira porosa de escoamento recÃproco, em que seu queimador à preenchido completamente por esferas cerÃmicas de alumina (Al2O3), formando uma matriz porosa inerte, que envolve os trocadores de calor da caldeira. O processo de queima de ambos os combustÃveis foi investigado sob condiÃÃes extremas de operaÃÃo, em termos de misturas ar-combustÃvel ultra-pobres. Como suporte para interpretaÃÃo dos fenÃmenos do processo, foi aplicado um modelo numÃrico de simulaÃÃo, que considera o mecanismo de oxidaÃÃo do metano em um meio poroso, adaptado para identificar os efeitos quÃmicos de uma alta concentraÃÃo de CO2 sobre a reaÃÃo. A influÃncia dos principais parÃmetros de operaÃÃo, razÃo de equivalÃncia e velocidade da mistura ar-combustÃvel, sob os produtos de combustÃo e sob a instabilidade de reaÃÃo foi estudada teÃrica e experimentalmente. Os resultados mostram excelente estabilidade operacional da caldeira com emissÃes ultra-baixas de CO e NOx, inferiores a 1 ppm para razÃes de equivalÃncia menores que 0,6, e com eficiÃncia de queima do H2S de mais de 99%. / The use of biogas and natural gas (GN) with high concentrations of carbon dioxide (CO2) and hydrogen sulfide (H2S) through conventional combustion thermal systems can result in reaction instability or flame front quenching, under risk of irreversible damages to the physical structure of a piece of equipments, due to corrosive acids remaining from reaction. Furthermore, high concentrations of these contaminants favor the occurrence of high pollutant levels in the products, like carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbon (HC), among others. Therefore, an experimental study was performed with basis on the application of a non conventional combustion technology, Filtration Combustion, in order to deal with these low-quality fuels. The experimental apparatus employed in this research consists of a reciprocal flow porous boiler, in which its burner is completely filled by ceramic spheres of alumina (Al2O3), forming an inert porous matrix, which involves boilerâs heat exchangers. The burning process of both the fuels was investigated under extreme operation conditions, in terms of ultra-lean fuel-air mixtures. As support for interpretation of the process phenomena, a numerical simulation model was applied, which takes in account the methane oxidation mechanism in a porous medium, adapted to identify the chemical effects of a high CO2-concentration on the reaction. The influence of the main operation parameters, equivalence ratio and gas flow velocity, on combustion products and on reaction stability was studied theoretically and experimentally. The results have shown excellent boiler operation stability with ultra-low emissions of NOx and CO, less than 1 ppm for equivalence ratios inferior to 0.6, and with the H2S-burning efficiency overcoming 99%.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A âCombustÃo de FiltraÃÃoâ à uma tecnologia que tem sido empregada no desenvolvimento de aquecedores e caldeiras de alta eficiÃncia e baixa emissÃo de poluentes. No entanto, o processo de igniÃÃo da combustÃo nesses equipamentos, constituÃdos de queimadores porosos volumÃtricos, tem sido ainda uma questÃo nÃo resolvida. Os sistemas convencionais desenvolvidos para esses queimadores apresentam algum inconveniente operacional que prejudica a eficiÃncia de combustÃo. EntÃo, este trabalho tem como objetivo principal apresentar um projeto robusto e econÃmico de sistema de igniÃÃo por lanÃa-chamas destinado a queimadores porosos volumÃtricos, em que a CombustÃo de FiltraÃÃo està sendo aplicada como tecnologia de base para desenvolvimento de um novo modelo de aquecedor de Ãgua. Um protÃtipo do aquecedor equipado com o sistema de igniÃÃo foi desenvolvido, em escala de laboratÃrio, realizando-se estudos experimental e teÃrico quanto à queima com gÃs natural e com biogÃs. A anÃlise teÃrica envolve a caracterizaÃÃo do escoamento dos gases ao longo do corpo do sistema de igniÃÃo atravÃs da simulaÃÃo com o software âANSYS-CFXâ, como tambÃm, dos fenÃmenos relacionados à onda de combustÃo propagando-se no queimador do aquecedor, para o qual foi utilizado um modelo numÃrico de simulaÃÃo em FORTRAN. Neste contexto, à utilizado o software PREMIX no cÃlculo de equilÃbrio quÃmico, aplicÃvel à combustÃo prÃ-misturada em um meio poroso, tomando como referÃncia os dois parÃmetros principais de operaÃÃo: a razÃo de equivalÃncia e a velocidade do escoamento da mistura ar-combustÃvel. Como resultado: o sistema de igniÃÃo proposto mostrou-se adequado aos queimadores porosos, provendo estabilidade e facilidade de operaÃÃo, e reduzindo significativamente o tempo necessÃrio ao prÃ-aquecimento do meio poroso. O modelamento do escoamento e da combustÃo serviu de suporte para interpretaÃÃo adequada dos fenÃmenos presentes nos processos. A CombustÃo de FiltraÃÃo possibilitou a operaÃÃo estÃvel do aquecedor em ampla faixa de razÃo de equivalÃncia (de 0.30 a 1). / "Filtration Combustion" is a technology that has been used in the development of heaters and boilers with high efficiency and low pollutant emissions. However, the ignition process of combustion in such equipments, constituted of volumetric porous burners, have been an issue still unresolved. Conventional systems developed for these burners present some operational drawback that affects the combustion efficiency. So, this work aims mainly to present a robust and economical design of flame-thrower ignition system aimed at volumetric porous burners, in which Filtration Combustion is being applied as a basis technology for the developing a new model of water heater. A prototype of the heater equipped with the ignition system has been developed in laboratory scale, carrying out experimental and theoretical studies on the burning natural gas and biogas. The theoretical analysis involves the characterization of gas flow along the body of the ignition system through simulation with the software "ANSYS-CFX," as well as of the phenomena related to the combustion wave propagating itself through the heaterâs burner, for which a numerical simulation in FORTRAN has been used. In this context, a software âPREMIXâ was used in the chemical equilibrium calculation, applicable to premixed combustion in a porous medium, taking as reference the two main parameters of operation: the equivalence ratio and flow velocity of the air-fuel mixture. As a result, the ignition system proposed has been adequate to the porous burner, providing stability and ease of operation, and significantly reducing the time required for preheating the porous medium. The modeling of flow and combustion has served as a support for proper interpretation of the phenomena present in the processes. Filtration Combustion has allowed stable operation of the heater in a wide range of equivalence ratio (from 0.30 to 1).

Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.