Coal-fired furnace modeling oriented to operational decision support - Ermel, Conrado (2019)
Esta dissertação enfoca o desenvolvimento de um modelo de suporte a decisão de opera ção de uma fornalha de carvão pulverizado, explorando as bases teóricas de dois métodos de solução. O modelo de combustão do carvão utiliza uma descrição da combustão que não considera características dimensionais da fornalha, baseando-se no balanço de átomos, e estimando assim importantes parâmetros de processo como o poder calorí co do carvão, ar necessário à combustão, vazão e temperatura do gás de combustão assim com a concentração dos principais poluentes. O modelo de combustão trata a zona gasosa da fornalha como um reator perfeitamente misturado, sendo sensível à composição química do carvão, assim como à parâmetros de processo como a vazão e temperatura de entrada do ar e combustível. Resultados considerando a fornalha como um único reator, quando comparados à dados reais de operação, apresentaram desvios relativos de 18.46% para a temperatura do gás de combustão e -1.32% para o HHV e 1.82% para o LHV do carvão. Quanto à emissão de poluentes o modelo apresentou desvios relativos de 4.82% para o SO2, 14.72% para CO2, -89.61% para o NO e 53.85% para o O2. A segunda abordagem foi realizada dividindo-se o domínio da fornalha em múltiplas zonas de gás. A radiação foi abordada pelo Método Zonal de Hottel, o qual subdivide o domínio da fornalha em um conjunto de zonas isotérmicas (de superfície e gasosas) e utiliza-se de áreas de troca diretas, determinadas através das correlações polinomiais de Tucker. As áreas de troca totais foram calculadas para contabilizar as múltiplas re ecções dentro da fornalha, enquanto balanços de energia em cada zona foram resolvidos iterativamente. A validação do modelo foi obtida simulando a caldeira de referência estudada por Ström, 1980, onde apesar de ter sido adotado um coe ciente de absorção médio constante (K = 0.5), desvios relativos máximos de 7.6% foram encontrados em relação ao trabalho original. O desvio relativo médio dos resultados em comparação aos dados apresentados por Ström foi de apenas 1.7%. A avaliação de um caso real foi proposta, combinando-se as duas abordagens apresentadas, formando um modelo aplicado a fornalha da caldeira de PECÉM, instalada no estado do Ceará-BR. Um esquema de duas zonas foi proposto, incluindo o modelo de combustão desenvolvido. O resultado do modelo para a temperatura dos gases de combustão apresentou um desvio relativo de apenas 13.12% em relação aos dados obtidos de PECÉM. Em relação a capacidade de predição de poluentes do modelo, diferenças maiores foram observadas. A predição da concentração de dióxido de enxofre apresentou um desvio relativo aos dados reais de 4.04%, enquanto para o CO2 e O2 as diferenças foram de 19.46% e 23.53%, respectivamente. Predições de NO aparecem como um interessante resultado, uma vez que apesar da discretização limitada proposta no modelo, relativa concordância foi observada (desvios relativos de -75.75%). O presente modelo provou ser uma abordagem adequada para a descrição da operação de uma fornalha a carvão pulverizado, combinando processamento rápido com uma implementação simpli- cada. O modelo apresentou bons resultados para a predição da temperatura do gás de combustão e poder calorí co do carvão. A emissão de poluentes, por outro lado, exige maior detalhamento em sua descrição através de equações de taxa de reação, buscando melhorar a precisão do modelo. Não obstante, o modelo foi capaz de sugerir cenários de operação da fornalha em função de diferentes composições de carvão e dos parâmetros de processo, atingindo os requisitos de um modelo básico de suporte à decisão operacional.