CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The use of biogas, with high concentrations of carbon dioxide (CO2) in its composition, in thermal systems of conventional combustion can result in combustion instabilities, leading to a decrease of the flame front propagation velocity, resulting even to the flame extinction. In addition, this contaminant can increase greenhouse gas levels in the exhaust, such as carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (UHC), nitrogen oxides (NOx) among others. Thus, this research aims to demonstrate the effectiveness of "Filtration Combustion" (FC) to deal with fuels of low heat content, such as biogas. CF is a non-conventional technology capable of producing ultra-low emissions of CO, HC and NOx. The experimental apparatus used in this research consists of a porous burner constituted of ceramic spheres (alumina) that fill the combustion chamber, where heat exchangers are inserted at the porous matrix ends. The FC allows even the application of a reciprocating gas flow system, which periodically switches the direction of the gas flow in the chamber. The reciprocal filtration combustion allows the operation with several fuels and providing a stable combustion process with temperature distribution on trapezoidal profile, with temperature peaks between 1300 and 1600 K. In this context, the present experimental study tries to identify and to analyze the effects of carbon dioxide in FC, which covers energy extraction efficiency, emissions, reaction stability, and flammability limits using several air-fuel mixtures, altering both the CO2 concentration in the biogas composition as the equivalence ratio (ER), in which the technical methane is taken as the reference gas. The results have pointed out significant benefits of the reversal on the combustion process, allowing operation in a wide equivalence ratio range (0.1 <&#1060; <1.0), and achieving energy extraction efficiencies above 90%, with ultra-low CO and NOx emissions (below 1 ppm). However, when the burner operates on only flow direction, it is possible to realize a drastic reduction of the flammability limit, as the CO2 content in the biogas composition is increased. / A utilizaÃÃo do biogÃs, com elevadas concentraÃÃes de diÃxido de carbono (CO2) em sua composiÃÃo, em sistemas tÃrmicos de combustÃo convencionais pode resultar em instabilidades na reaÃÃo, levando a uma diminuiÃÃo da velocidade de propagaÃÃo da frente de chama (onda de combustÃo), ocasionando inclusive a sua extinÃÃo. AlÃm disso, este contaminante pode aumentar os Ãndices de gases poluentes na exaustÃo, tais como: monÃxido de carbono (CO), hidrocarbonetos nÃo queimados (HC), Ãxidos de nitrogÃnio (NOx), dentre outros. Por esta razÃo, esta pesquisa tem como objetivo demonstrar a eficÃcia da "CombustÃo de FiltraÃÃo" (CF) em lidar com os combustÃveis de baixo poder calorÃfico, como o biogÃs. CF à uma tecnologia nÃo-convencional capaz de produzir emissÃes ultrabaixas de CO, HC e NOx. O aparato experimental empregado nessa pesquisa consistiu de um queimador poroso, constituÃdo de esferas cerÃmicas (alumina) que preenchem a cÃmara de combustÃo, onde trocadores de calor estÃo inseridos nas extremidades dessa matriz porosa. A CF possibilitou, inclusive, a aplicaÃÃo de um sistema de escoamento recÃproco, que alternou periodicamente a direÃÃo do escoamento dos gases na cÃmara. A combustÃo de filtraÃÃo recÃproca permitiu a operaÃÃo com diversos combustÃveis e proporciona um processo de combustÃo estÃvel com a distribuiÃÃo de temperatura em perfil trapezoidal, com picos de temperatura entre 1300 e 1600 K. Neste contexto, o presente estudo experimental buscou identificar e analisar os efeitos do diÃxido de carbono na CF, o que engloba eficiÃncia de extraÃÃo de energia, emissÃes, estabilidade da reaÃÃo, e limites de inflamabilidade, utilizando vÃrias misturas ar-combustÃvel, alterando tanto a concentraÃÃo de CO2 na composiÃÃo do biogÃs como a razÃo de equivalÃncia (RE), tendo como gÃs de referÃncia o metano tÃcnico. Os resultados apontaram benefÃcios significativos da reversÃo sobre o processo de combustÃo, permitindo a operaÃÃo em uma ampla faixa de razÃo de equivalÃncia (0,1<&#1060;<1,0), e alcanÃando uma eficiÃncia de extraÃÃo de energia acima de 90%, com emissÃes ultrabaixas de CO e NOx (abaixo de 1 ppm). Em contrapartida, quando o queimador operou em apenas um sentido do escoamento, foi possÃvel perceber uma reduÃÃo no limite de inflamabilidade à medida que foi incrementado o teor de CO2 na composiÃÃo do biogÃs.

In the effort to introduce fuel cell technology in the field of decentralized and mobile power generators, a hydrocarbon reformer to syngas seems to be the way for the market uptake. In this thesis, a potential technology is developed and investigated, in order to convert commercial liquid fuel (diesel, kerosene and biodiesel) to syngas. The fundamental concept is to oxidise the fuel in a oxygen depleted environment, obtaining hydrogen and carbon monoxide as main products of the reaction. In order to extend the flammability limit of hydrocarbon/air mixtures, the rich combustion experiments have been carried out in a two-layer porous medium combustor, which stabilises a flame at the matrix interface and recirculates the enthalpy of the hot products in order to enhance the reaction rates at ultra-rich equivalence ratio. This thesis demonstrates the feasibility of the concept, by exploring characteristic parameters for a compact, reliable and cost effective device. Specifically, a range of equivalence ratios, thermal loads and porous materials have been examined. n-heptane was successfully reformed up to an equivalence ratio of 3, reaching a conversion efficiency (based on the lower heating value of H2 and CO over the fuel input) up to 75% for a packed bed of alumina beads. Thermal loads from P=2 to 12 kW at phi=2.0 demonstrated that heat losses can be reduced to 10%.Similarly, diesel, kerosene and bio-diesel were reformed to syngas in a Zirconia foam burner with conversion efficiency over 60%. The effect of different burners, thermal loads and equivalence ratios have also been assessed for these commercial fuels, leading to equivalent conclusions. A preliminary attempt to reduce the content of CO and hydrocarbons in the reformate has been also performed using commercial steam reforming and water-gas shift reaction catalysts, obtaining encouraging results. Finally, soot emission has been assessed, demonstrating particle formation for all the fuels above phi=2.0, with biodiesel showingthe lowest soot formation tendency among all the fuels tested.

Nesse trabalho, é investigada a combustão pré-misturada de metano e ar em um queimador poroso radiante com área de seção transversal variável. A estabilidade de chama e a eficiência de radiação neste tipo de queimador são analisadas através de simulação numérica. O problema considerado para análise é de um queimador unidimensional de área variável com perdas de calor por radiação em suas extremidades. A metodologia numérica usada para resolver o conjunto de equações de conservação é o método dos volumes finitos com o sistema de coordenadas cartesianas. Os resultados mostram que, o aumento da área da seção transversal proporciona um aumento na faixa de estabilidade de chama do queimador quando comparado com um de área constante. A eficiência de radiação também é influenciada positivamente pela variação de área, ou seja, um aumento na área da seção de saída do dispositivo resulta em um aumento na eficiência. Também é testada uma modelagem alternativa baseada no método de curvas de nível (level-set method). Nesse modelo as equações das espécies químicas são substituídas pela equação-G, a qual descreve a dinâmica de uma frente de chama infinitamente fina. Os resultados numéricos das simulações bem como as vantagens e as limitações do modelo de curvas de nível são discutidas. Em linhas gerais os resultados do modelo de curvas de nível não foram capazes de reproduzir adequadamente o comportamento obtido com o modelo convencional. / In this work, the premixed combustion of methane and air in a porous radiant burner with a variable cross-sectional area is investigated. The flame stability and the radiant efficiency in this kind of burner are analyzed through numerical simulation. The problem considers a variable area one-dimensional burner with radiation heat losses in its extremities. The numerical method used to solve the set of conservation equations is the finite volume method with the Cartesian coordinate system. The results show that an increase of the cross-sectional area promotes an increase of the flame stability range when compared with a constant area burner. The radiant efficiency is also positively influenced by the area variation, i.e., the increase of the outlet area results in an enhanced efficiency. An alternative modelling based on the level-set method is also tested. In this model the equations of chemical species are replaced by the G-Equation, which describes the dynamics of an infinitely thin flame front. The numerical results of simulations as well as advantages and limitations of the level-set model are discussed. In general the results of the level-set model were not able to reproduce in a suitable way the behavior obtained with the conventional model.

Nesse trabalho, é investigada a combustão pré-misturada de metano e ar em um queimador poroso radiante com área de seção transversal variável. A estabilidade de chama e a eficiência de radiação neste tipo de queimador são analisadas através de simulação numérica. O problema considerado para análise é de um queimador unidimensional de área variável com perdas de calor por radiação em suas extremidades. A metodologia numérica usada para resolver o conjunto de equações de conservação é o método dos volumes finitos com o sistema de coordenadas cartesianas. Os resultados mostram que, o aumento da área da seção transversal proporciona um aumento na faixa de estabilidade de chama do queimador quando comparado com um de área constante. A eficiência de radiação também é influenciada positivamente pela variação de área, ou seja, um aumento na área da seção de saída do dispositivo resulta em um aumento na eficiência. Também é testada uma modelagem alternativa baseada no método de curvas de nível (level-set method). Nesse modelo as equações das espécies químicas são substituídas pela equação-G, a qual descreve a dinâmica de uma frente de chama infinitamente fina. Os resultados numéricos das simulações bem como as vantagens e as limitações do modelo de curvas de nível são discutidas. Em linhas gerais os resultados do modelo de curvas de nível não foram capazes de reproduzir adequadamente o comportamento obtido com o modelo convencional. / In this work, the premixed combustion of methane and air in a porous radiant burner with a variable cross-sectional area is investigated. The flame stability and the radiant efficiency in this kind of burner are analyzed through numerical simulation. The problem considers a variable area one-dimensional burner with radiation heat losses in its extremities. The numerical method used to solve the set of conservation equations is the finite volume method with the Cartesian coordinate system. The results show that an increase of the cross-sectional area promotes an increase of the flame stability range when compared with a constant area burner. The radiant efficiency is also positively influenced by the area variation, i.e., the increase of the outlet area results in an enhanced efficiency. An alternative modelling based on the level-set method is also tested. In this model the equations of chemical species are replaced by the G-Equation, which describes the dynamics of an infinitely thin flame front. The numerical results of simulations as well as advantages and limitations of the level-set model are discussed. In general the results of the level-set model were not able to reproduce in a suitable way the behavior obtained with the conventional model.

Nesse trabalho, é investigada a combustão pré-misturada de metano e ar em um queimador poroso radiante com área de seção transversal variável. A estabilidade de chama e a eficiência de radiação neste tipo de queimador são analisadas através de simulação numérica. O problema considerado para análise é de um queimador unidimensional de área variável com perdas de calor por radiação em suas extremidades. A metodologia numérica usada para resolver o conjunto de equações de conservação é o método dos volumes finitos com o sistema de coordenadas cartesianas. Os resultados mostram que, o aumento da área da seção transversal proporciona um aumento na faixa de estabilidade de chama do queimador quando comparado com um de área constante. A eficiência de radiação também é influenciada positivamente pela variação de área, ou seja, um aumento na área da seção de saída do dispositivo resulta em um aumento na eficiência. Também é testada uma modelagem alternativa baseada no método de curvas de nível (level-set method). Nesse modelo as equações das espécies químicas são substituídas pela equação-G, a qual descreve a dinâmica de uma frente de chama infinitamente fina. Os resultados numéricos das simulações bem como as vantagens e as limitações do modelo de curvas de nível são discutidas. Em linhas gerais os resultados do modelo de curvas de nível não foram capazes de reproduzir adequadamente o comportamento obtido com o modelo convencional. / In this work, the premixed combustion of methane and air in a porous radiant burner with a variable cross-sectional area is investigated. The flame stability and the radiant efficiency in this kind of burner are analyzed through numerical simulation. The problem considers a variable area one-dimensional burner with radiation heat losses in its extremities. The numerical method used to solve the set of conservation equations is the finite volume method with the Cartesian coordinate system. The results show that an increase of the cross-sectional area promotes an increase of the flame stability range when compared with a constant area burner. The radiant efficiency is also positively influenced by the area variation, i.e., the increase of the outlet area results in an enhanced efficiency. An alternative modelling based on the level-set method is also tested. In this model the equations of chemical species are replaced by the G-Equation, which describes the dynamics of an infinitely thin flame front. The numerical results of simulations as well as advantages and limitations of the level-set model are discussed. In general the results of the level-set model were not able to reproduce in a suitable way the behavior obtained with the conventional model.