Theoretical and experimental study of reciprocal porous burner applied to biogas

The current Dissertation treats the theoretical and experimental studies about a non- conventional saturated steam boiler, in which a com bustion technology is employed, the “Filtration Combustion”, as basis for conception of its burner construction design. This combustion thermal system was studied by means of a prototype, in laboratory scale, specially developed for this research. It was prop erly instrumented in order to make it possible to monitor as well as the combustion proce ss as the energy extraction in the reaction zone. The objective of this investigation is to verify the effects of the Biogas obtained from the anaerobic digestion of the Green Coconut Skin Liquid (GCSL), on the boiler operation, concerning efficiency and polluta nt emissions, as well as the reaction stability. Biogas combustion is analyzed by numeri cal model simulations, which take in account the mass, energy (gas and solid phases) and species conservation equations. The model is structured with a flexible code in languag e FORTRAN, which includes equilibrium calculation performed through premixed combustion simulation software, the PREMIX, adapted to the combustion process and heat transfer in porous medium. The simulation allows the prediction of the temperature distribution profiles along the burner and the combustion products as function of two main operation parameters, the equivalence ratio and the air-fuel mixture flow vel ocity. Simulation results are compared with measurements in this analysis and some design aspects of the "Porous Burner Boiler” are discussed, which evidences its operational adva ntages in comparison to the conventional boilers, especially the high energy ex traction efficiency and low carbon and nitrogen oxides emission levelsA presente Dissertação de Mestrado trata do estudo teórico-experimental de uma caldeira de vapor saturado não-convencional, onde é empregada uma tecnologia de combustão, a “Combustão de Filtração”, como base pa ra concepção do projeto construtivo do seu queimador. Esse sistema térmico de combustã o foi estudado através de um protótipo especialmente desenvolvido para essa pesq uisa, em escala de laboratório. O protótipo foi instrumentado adequadamente, de forma a possibilitar o monitoramento tanto do processo de combustão como da extração de energi a da zona de reação. O objetivo da pesquisa foi verificar os efeitos do Biogás obtido da digestão anaeróbia do líquido da casca do coco verde (LCCV), sobre a operação da caldeira, no que diz respeito à eficiência e às emissões, como também, quanto à estabilidade de rea ção. A combustão do biogás é analisada com a ajuda de um modelo numérico de simu lação, o qual é constituído das equações de conservação da massa, da energia (nas f ases gás e sólida) e das espécies. Esse modelo é estruturado por um código flexível, em lin guagem FORTRAN, que incorpora o cálculo das composições de equilíbrio por meio de u m programa de simulação de combustão pré-misturada, o PREMIX, adaptado para pr ocessos de combustão e de transferência de calor em meio poroso. A simulação permite predeterminar os perfis de distribuição de temperatura ao longo do queimador e os produtos de combustão em função dos dois parâmetros principais de operação, a razão de equivalência e a velocidade do escoamento da mistura ar-combustível. Os resultado s de simulação são confrontados com os dados experimentais nessa análise, e são discuti dos alguns aspectos de projeto da “Caldeira de Queimador Poroso Recíproco”, que ressa ltam suas vantagens operacionais em relação às caldeiras convencionais, especialmente a elevada eficiência de extração de energia e os baixos níveis de emissões de óxidos de carbono e nitrogêni