Desenvolvimento de método de medição simultâneo de velocidade de chama laminar e energia de ativação aparente e aplicação em misturas combustíveis com baixo poder calorífico

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014.Syngas e biogás são combustíveis de baixo poder calorífico que podem ser obtidos a partir da biomassa, lixo orgânico, ou como combustível residual, tornando-se assim uma fonte de energia flexível e renovável. Esses combustíveis gasosos são compostos basicamente por CO, H2, CH4, CO2, N2 e H2O em proporções que dependem fortemente da fonte original e da forma como são obtidos e processados. Com base neste contexto, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver um método de medição de velocidade de chama laminar e energia de ativação aparente e avaliar o efeito da composição de misturas formadas por H2, CO, CH4, N2 e CO2 pré-misturadas com o ar. O método desenvolvido no presente trabalho foi baseado em uma análise assintótica de uma chama plana não adiabática estável sobre uma placa porosa. A validação do método foi realizada medindo-se a velocidade de chama laminar e a energia de ativação global aparente do metano pré-misturado com o ar. Os resultados apresentaram uma excelente concordância com a literatura e com os valores obtidos através do mecanismo de cinética química GRIMECH 3.0, sendo que na estequiometria a velocidade de chama adiabática e a energia de ativação global aparente medidaspara o metano pré-misturado com o ar foram de 37,5 cm/s e 274,975 kJ/mol, respectivamente. Por fim, o método foi aplicado para avaliar a influência da concentração de CH4 em uma mistura combustível composta por H2, CO, N2 e CO2 pré-misturada com o ar. A análise foi realizada mantendo-se a razão de equivalência constante em 0,8 e variando-se a concentração de CH4 entre 0 e 100%, enquanto os demais componentes foram variados proporcionalmente. Com o presente trabalho foi possível avaliar o efeito da concentração de CH4 na velocidade de chama adiabática, na energia de ativação, no comportamento da frente de chama em relação à superfície do queimador e nas taxas de transferência de calor por difusão e convecção entre a frente de chama, a superfície do queimador e a água de arrefecimento. De forma geral, este trabalho contribui com os estudos de combustão de misturas de baixo poder calorífico e fornece uma nova metodologia para medição da velocidade de chama laminar e da energia de ativação global aparente de misturas combustíveis gasosas.Abstract : Syngas and biogas are fuels of low calorific value which can be obtained from biomass, organic waste or as residual fuel, thus becoming a flexible and renewable fuels source. These gaseous fuels are composed primarily of CO , H2 , CH4 , CO2 , H2O and N2 in proportions that depend on the source and processed of production. The objective of this work is to develop a method of measuring of the adiabatic flame speed to analysis the effect of the composition of low calorific value fuels composed of H2, CO, CH4, CO2 and N2 premixed with air. The method developed in the present work was based on a numerical analysis of a non-adiabatic flat flame and stable on a porous injection plate. The validation of the method was performed by measuring the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy of methane premixed with air. The results showed excellent agreement with the literature and with the values obtained through the GRIMECH 3.0 mechanism, thus for the stoichiometry mixture the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy measured were 37.5 cm/s and 274.975 kJ/mol, respectively. Finally, was evaluated the influence of CH4 concentration in a fuel mixture composed of H2 , CO , N2 and CO2 premixed with air. The analysis was performed keeping equivalence ratio constant at 0.8 and varying the CH4 concentration between 0 and 100%, while the other components were varied proportionally. Thus, was possible to evaluate the effect of CH4 concentration on the adiabatic flame speed, the apparent overall activation energy, the behavior of the flame front on the burner surface and the heat transfer rate by diffusion and convection between the flame front and the burner surface and the cooling water. Therefore, this work can contribute with the studies of combustion using fuel mixtures of low calorific value and provide a new methodology for measuring the adiabatic flame speed and apparent overall activation energy