Estudo numérico e experimental da velocidade de queima laminar de misturas de gás de síntese em condição de oxicombustão

Abstract

Com o aumento da demanda de energia no mundo e o apelo por fontes energéticas amig áveis ao meio ambiente, o IGCC (Integrated Gasei cation Combined Cycle ) se apresenta como uma técnica que atinge uma alta e ciência e possui baixa emissão de poluentes. Quando trabalhando em oxicombustão e utilizando CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage), está técnica pode obter emissões nulas de CO2. Seguindo essa tendencia, o gás de síntese (syngas) tem se mostrado um combustível de crescente interesse para a sociedade devido a questões ambientais, no entanto, estes combustíveis não foram amplamente estudados. Sendo a velocidade de queima laminar um dos principais parâmetros da combustão em chamas pré-misturadas e de grande importância para a calibração de mecanismos de cinética química. Este trabalho avaliou experimental e numericamente a velocidade de queima laminar de misturas de gás de síntese em oxicombustão, utilizando condições ambiente de temperatura e pressão (298 K e 1 atm). Para isso, utilizou-se o método experimental do uxo de calor, desenvolvido com o intuito de aferir a velocidade de queima com facilidade e precisão, utilizando uma chama plana e sem estiramento. Os resultados obtidos foram comparados com a simulação de seis mecanismos de cinética química (Gri-Mech 3.0, USC Mech-II, Davis-2005, Kéromnès-2013, ELTE-2016, Zhang- 2017), visando avaliar a capacidade preditiva dos mesmos. Foi observado à tendência destas misturas ao aparecimento de instabilidades celulares na frente de chama, que impedem a aferição da velocidade de queima, o que limitou a abrangência da pesquisa. As incertezas mensuradas nos experimentos foram inferiores a 0,5 cm/s e uma análise entre dois métodos de avaliação da incerteza referente ao método do uxo de calor mostrou a diferença entre o resultado das incertezas tratadas e a importância dos parâmetros avaliados. Por fim, os efeitos da adição de dióxido de carbono na mistura foram avaliados numericamente e seu impacto na oxicombustão do gás de síntese foram mostrados.

With the ever increasing demand for energy in the world and the appeal for environmentally friendly energy sources, Integrated Gasei cation Combined Cycle (IGCC) presents itself as a technique that achieves high e ciency and low pollutants emission. When working with oxyfuel combustion and using Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS), this technique can have zero CO2 emissions. Furthermore, syngas has been shown to be a fuel of growing interest to society, due to environmental issues, however, these fuels have not been widely studied. Since laminar burning velocity is one of the main parameters in premixed ames combustion and of great importance for the calibration of detailed chemical kinetic mechanisms. This work experimentally and numerically evaluates the laminar burning velocity of oxyfuel syngas mixtures at standard conditions of temperature and pressure (298 K and 1 atm). For the experimental measurements, the heat ux method, developed to measure the laminar burning velocity easily and accurately, using a at ame without stretch, was used. The results were compared with the simulations of six detailed kinetic mechanisms (Gri-Mech 3.0, USC Mech-II, Davis-2005, Kéromnès-2013, ELTE-2016, Zhang-2017), aiming the evaluation of their predictive capabilities. The tendency of these mixtures to the appearance of cellular instabilities on the ame front, prevented a more extensive evaluation of the oxyfuel syngas mixtures. The experimental uncertainties were lower than 0.5 cm/s and an analysis between two uncertainty evaluation approaches in the heat ux method, presented their di erences and the importance of the evaluated parameters. Finally, e ects of the adition of CO2 in the mixture were numerically evaluated, presenting it's repercussions on the oxyfuel combustion of syngas.