Análise e modelação da combustão em fornalha de biomassa

Abstract

Este projeto teve como principal objetivo o estudo e modelação do processo de combustão da biomassa da Central Termoeléctrica de Mortágua. Esta central opera segundo um ciclo de Rankine regenerativo e utiliza como combustível os resíduos florestais resultantes da limpeza de matas presentes nas proximidades. De modo a modelar o processo de combustão da biomassa na fornalha existente na central, identificou-se que a metodologia mais adequada, consistiria em dividir o domínio em estudo em duas partes distintas. A primeira parte corresponde à análise da decomposição térmica da combustão da biomassa na grelha da fornalha e, a segunda parte corresponde à análise da reação de oxidação dos produtos de combustão acima da grelha. Esta abordagem é adequada uma vez que estas partes estão interligadas. No entanto, foi necessária a utilização de um modelo externo para determinar a composição dos produtos de combustão que depois são utilizados como input na simulação numérica. Este modelo externo teve como base um modelo da literatura que foi implementado no MATLAB®. Desta forma, procedeu-se à simulação CFD no programa ANSYS Fluent® de diferentes casos, de modo a verificar a influência do ar secundário e da recirculação dos produtos de combustão. A metodologia utilizada para a construção do modelo numérico demonstrou-se muito útil para a análise da fase gasosa no interior da fornalha e permitiu verificar que a mistura do ar e dos produtos de combustão pode ser melhorada através do aumento do caudal de ar secundário. Com este aumento foi possível obter-se uma menor emissão de monóxido de carbono o que de facto mostra que pode ser uma medida a ter em conta na operação da caldeira. Por sua vez, a recirculação dos produtos de combustão promoveu uma diminuição da temperatura no interior da fornalha o que poderá ser benéfico para a redução das emissões de óxidos de azoto pela via térmica. Os resultados das simulações numéricas poderão agora ser utilizados para análise e otimização do processo de combustão da caldeira da central termoeléctrica de Mortágua, conduzindo a uma redução na emissão do monóxido de carbono.

The main goal of this project was to study and model the biomass combustion process that is carried out at the Thermal Power Plant of Mortágua. This plant operates according to a regenerative Rankine cycle and uses forestry waste, resulting from the cleaning of near-by forest bushes as fuel. In order to model the combustion process of the biomass inside the furnace’s plant, an adequate methodology was determined that consists in dividing the domain of study into two distinct parts. The first part refers to the thermal decomposition in the biomass grate, and the second part refers to the oxidation reaction of the combustion products, above the furnace grate. This separation is adequate as both parts are interlinked. However, the utilization of an external model to determine the composition of the combustion products was necessary in order to be used as an input for a numerical simulation. This external model was based on literature model that was implemented in MATLAB®. Therefore, a CFD simulation for different cases was carried out in the ANSYS Fluent® software, in order to verify the influence of the secondary air and the combustion products recirculation. The methodology used for the numerical model construction proved very useful for the gas phase analysis inside the furnace and allowed to verify that the mixture of the air and products of combustion can be improved by increasing the secondary air flow rate. With this increase it was possible to obtain a lower emission of carbon monoxide which in fact shows that this is a measure that can be taken into account in the boiler operation. In turn, recirculation of the combustion products has led to a decrease in the temperature inside the furnace, which could be beneficial for the reduction of the emissions of nitrogen oxides by the thermal route. The results of the numerical simulations will be available to analyze and optimize the combustion process of the boiler at the Thermal Power Plant of Mortágua, allowing the reduction of the carbon monoxide emission.