Combustion of Biogas and Natural Gas With High H2S and CO2 Concentrations on Porous Burner Boiler

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%