Three-phase CFD simulation of coal combustion in a circulating fluidized bed reactor

A queima de carvão mineral em Leito Fluidizado Circulante (CFBC) tem interessado pesquisadores por várias décadas, tendo sido propostos inúmeros modelos matemáticos que visam descrever os complexos fenômenos de transferência de massa, energia e quantidade de movimento deste sistema gás-sólido. A fase sólida é uma mistura de materiais inertes, como a areia e a cinza de carvão, um agente desulfurizante, além do próprio combustível. A técnica de Fluidodinâmica Computacional tem sido aplicada com sucesso para simular não somente escoamentos multifásicos mas também problemas que envolvem reações químicas e troca de calor. Apesar disto, a caracterização individual dos diversos materiais da fase sólida não é muito estudada. Deste modo, neste trabalho foi pesquisada a representação numérica do escoamento no interior de um leito fluidizado por CFD. Numa primeira etapa estudou-se a fluidodinâmica gás-sólido a quente e numa segunda a implementação de uma abordagem trifásica para representar o processo de queima de carvão mineral. Assim, a fase gás e o material inerte foram considerados fluídos, conforme a abordagem Euleriana, enquanto o material reativo foi representado pela descrição Lagrangeana. A combustão ocorre principalmente num leito fluidizado de 4 m de altura e 0,1 m de diâmetro, operado no regime de baixa densidade de sólidos e rápida fluidização. As reações do sistema são aquelas que ocorrem na fase gasosa devido à liberação de voláteis do carvão, bem como a reação heterogênea do carbono. Os resultados das simulações CFD mostraram-se de acordo com os dados experimentais disponíveis para temperatura e composição dos gases de saída. A escolha de modelos de reação heterogênea e do inventário de sólidos do sistema se mostrou de grande importância à simulação do processo. Concluí-se que a abordagem trifásica apresentada mostra-se viável para sistemas nos quais a massa de material reativo sólido no sistema representa apenas uma fração da massa total dos sólidos presentes.Coal combustion in Circulating Fluidized Bed Combustors (CFBC) has received great attention from researchers who have developed several approaches in order to model the complex phenomena of mass, energy and momentum exchange in this gas-solid system. The solid phase is usually a mixture of inert material, sand and ash, a desulfurization material such as limestone and the fuel itself. Computational Fluid Dynamics has been successfully applied to simulate not only the fluid dynamics of multiphase flow in components of CFBC's, but also to study the associated heat and mass transfer phenomena. However, the inclusion of more than one solid phase is not usually the · subject of research. Ideally each particle could be tracked in a Lagrangian formulation, which, for denser flows, could include inter-particle interactions. However even for small-scale plants the total number of particles by far exceeds currently available computing resources. In this work, a three-phase approach was applied to model fast bed CFBC riser, in which the gas phase and the inert particle phase are described in an Euler-trame while the reacting coal particles are tracked individually in a Lagrangian approach. A small pilot-plant unit feed with ash-rich Brazilian coal has been chosen as a study case. The combustion took place in a riser of 4m height and 0,1 m internal diameter, operating in the low-density regime. The chemical reactions in the system were those of the gas-phase homogeneous oxidation of the devolatilized components and the heterogeneous char combustion. The simulation results were in good agreement with experimental measurements for temperature and flue gas composition, hence the three-phase modeling showed to be a viable alternative to a more complete simulation of the CFBCs coal combustion process