Combustion of biogas and natural with high concentrations of H2S and CO2 in porous burner boiler

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 boiler’s 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%.O aproveitamento do biogás e do gás natural (GN) com elevadas concentrações de dióxido de carbono (CO2) e de sulfeto de hidrogênio (H2S), através de sistemas térmicos de combustão convencionais, pode resultar em instabilidade de reação ou, até, apagamento da frente de chama, sob risco de avarias irreversíveis para estrutura física dos equipamentos, devido aos ácidos corrosivos decorrentes da reação. Ainda, altas concentrações desses contaminantes favorecem a ocorrência de elevados índices de gases poluentes nos produtos, a exemplo de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados (HC), dentre outros. Por essa razão, um estudo experimental foi realizado com base na aplicação de uma tecnologia de combustão não-convencional, a Combustão de Filtração, a fim de lidar com esses combustíveis de baixa qualidade. O aparato experimental empregado nessa pesquisa consiste de uma caldeira porosa de escoamento recíproco, em que seu queimador é preenchido completamente por esferas cerâmicas de alumina (Al2O3), formando uma matriz porosa inerte, que envolve os trocadores de calor da caldeira. O processo de queima de ambos os combustíveis foi investigado sob condições extremas de operação, em termos de misturas ar-combustível ultra-pobres. Como suporte para interpretação dos fenômenos do processo, foi aplicado um modelo numérico de simulação, que considera o mecanismo de oxidação do metano em um meio poroso, adaptado para identificar os efeitos químicos de uma alta concentração de CO2 sobre a reação. A influência dos principais parâmetros de operação, razão de equivalência e velocidade da mistura ar-combustível, sob os produtos de combustão e sob a instabilidade de reação foi estudada teórica e experimentalmente. Os resultados mostram excelente estabilidade operacional da caldeira com emissões ultra-baixas de CO e NOx, inferiores a 1 ppm para razões de equivalência menores que 0,6, e com eficiência de queima do H2S de mais de 99%