Comb Capitulo 5

Combustão em Turbinas a GásCap. 5 - Formação e Controle de Poluentes

Carlos Alberto Gurgel VerasLaboratório de Energia e Ambiente

Departamento de Engenharia Mecânica – UnB

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http://static.guim.co.uk/sys-images/Arts/Arts_/Pictures/2007/02/13/jet460.jpg

Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB

• Introdução

• Ciclo Brayton – Processo de Combustão

• Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios

• Formação de Poluentes – Mecanismos Principais

• Tecnologias para Redução de Emissões

• Aplicação da Tecnologia – Câmara DLN (LEA-UnB)

Organização


Introdução

Turbinas a Gás - Aplicações Principais

Aeronáuticas

• Turbo-jatos;• Turbo-fans;• APU – Auxiliary Power Unit;• Turbo-hélices;• Helicópteros.


Introdução


Estacionárias

• Geração local;• Geração distribuída;• Planta de biogás;• Transmissão de gás natural;• Bombeamento de líquido e óleo;• Armazenagem e extração de gás;• Transporte (propulsão marítima, terrestre)• Compressão de CO2 (processos industriais, etc).


Introdução


Estacionárias


Introdução


Estacionárias


Introdução

Poluentes Principais


Introdução



Introdução



Introdução

Emissão de Poluentes - Aeronáuticas

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Emissões Estimadas em 2002:

492 MtCO2

2,06 MtNOx

Produção por massa (kg) de combustível:

3,15 kgCO2/kg1,26 kgH2O/kg5 a 25 gNO2/kg1 a 10 gCO/kg1,0 gSO2/kg

Estimativas para 2025 IPCC (Kahn, 2007) apontam consumo de combustível 2,1 vezes maior que em 2002.


Introdução

Emissão de Poluentes - EstacionáriasDados para 2002:

14% da energia elétrica gerada nos EEUU tiveram origem em Ciclos Combinados e Turbinas a Gás (Boyce, 2002).

Estimativas para 2020: 43%Combustível – preferencialmente gás natural

Novas tecnologias:

IGCC – Integrated Gasification Combined CycleEstimativa para 2015 – 135 GW

BIGCC – Biomass Integrated...

Microturbinas (Brasil?) 10 a 1000 kW

Gas Turbine Handbook - NETL


Ciclo Brayton – Processo de Combustão

Ciclo Ideal e Eficiência

(ideal)



Ciclo Básico e Eficiência




www.emeraldinsight.com/fig/1270800305001.png






Materiais



Materiais

www.msm.cam.ac.uk/.../coatings/index.html



Materiais

www.me.umn.edu/labs/tcht/measurements/scan2.gif



Materiais



Materiais



Materiais



Requerimentos para o combustor



Consumo de Combustível

Potência = 60 MWRazão de pressão = 20Eficiência Isentrópica do Compressor = 87%Eficiência Isentrópica da Turbina = 92%

TA= 815 °C TB= 1200 °CPCI = 44 MJ/kgA/F= 15/1



Limites de flamabilidade

1≈φ


Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios

Turbinas Aeronáuticas



ICAO Env. Report 2007

Implementação do padrão CAEP ( Committee on Aviation Environmental Protection)1981 estabelecido1986 efetivado

ICAO/CAEP



Limites atuais Anexo 16 vol. II (1995)Motores com empuxo superior a 26,7 kNLimites em g/kN, aplicável a turbojatos e turbofans

HC < 19,6 g/kNCO < 118,0 g/kNNOx < 32+1,6π00 g/kN (π00 → razão de pressão)SN < 83,6(F00)-0,274 (motor 50 kN, SN=30)

ICAO/CAEP



Níveis de Emissões (Padrão ICAO)



Qualidade do Ar



Emissões Globais



Emissões GlobaisRastros de Condensação (CONTRAILS)

http://en.wikipedia.org/wiki/Contrail

Efeito no balanço de energia do planeta (radiação térmica)



Emissões Globais


Não existe no momento padrão para emissões globais. Previsto para os próximos 10 a 20 anos



Turbinas Estacionárias


Limites para os EEUU – corrigido para 15% O2, base seca



Turbinas Estacionárias


Formação de Poluentes – Mecanismos Principais

Emissões de CO

Equilíbrio químico

∞→rtt /

)/( skgmreag&

cV

Turbinas a gás????



Emissões de CO

T=1013 KT=2226 KT=1479 K

Queima Pobre Queima Rica)/(

)/(FA

FA est=φ

5,0=φ 0,1=φ 0,3=φ

Equilíbrio químico



Emissões de CO

Equilíbrio químico adiabática

1500 K



Emissões de CO

CFD + Cinética Química Global



Emissões de CO

5,15,0yx )/)(/()00345,0exp(86]HC [g/kg CO PPPVVTTm ecpzpzar Δ−−= &

effpzpze DmV λρ/55,0 20=

cV

Volume para evaporação do combustível

Volume da câmara de combustão

Zona Primária

Correlação Empírica



Emissões de CO

CFD + Cadeia de Reatores + mecanismos detalhados



Emissões de CO

CódigoCHEMKIN

Estrutura do escoamento simplificadaCinética Química Detalhada



Oxidação do CO – mecanismo cinético

OCOOCO 22 +→+ Reação lenta, mas inicia o processo…

OOHOH 2 +→+

OHOHOHO 2 +→+

HCOOHCO 2 +→+Oxidação do CO + Propagação da cadeia

Vapor d água fornece H

Propagação da cadeia

Emissões



HOHHO 2 +→+ Hidrogênio como fonte de H

HOHHOH 22 +→+

OHCOHOCO 22 +→+ Outra rota de oxidação do CO, porém menos importante que a com OH

Este mecanismo deve ser incluído no presente (oxid. CO)22 OH −

Oxidação do CO – mecanismo cinético



Emissões de NOx

N2 do ar

NO + HO2 ↔ NO2 + OHTemperaturas relativamente baixas< 1500 K

NO2 + H ↔ NO + OH

NO2 + O ↔ NO + O2



Emissões de NOx

NNONO 2 +→+ Propagação de cadeia

ONOON 2 +→+

HNOOHN +→+ Outra rota – mecanismo estendido

Propagação de cadeia

Mecanismo Térmico - Zeldovich

Fonte de Nitrogênio é o ar atmosférico



Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência do Tempo e Temperatura



Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - Zeldovich

Influência do Tempo e Razão de Equivalência

Marcante influência de ø

Influência do tempo para øelevado



Emissões de NOx

Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência da Razão de Equivalência (ø)



Emissões de NOx

Mecanismo do Óxido Nitroso (intermediário)

MONMNO 22 +→++

NONOONO 2 +→+

NHNOONH 2 +→+ Relevante em sistema de pré-mistura e pobres

8,0<φRelevante em queimas a altas pressões (turbinas a gás)



Emissões de NOx

Mecanismo do NO imediato - Fenimore

NHCNNCH 2 +→+

HNCOOHCN +→+

NCNNC 2 +→+ Combustão de hidrocarbonetos

NO surge em intervalos de tempo inferiores aos previstos pelo mecanismo térmico

Formação de compostos nitrogenados HCN e CN

Relevante em baixas temperaturas

Relevante em regiões de queima ricas

CONHHNCO +→+

2HNHNH +→+

HNOOHN +→+0,1>φ



Emissões de NOx Parâmetros Cinéticos



Emissões de NOx

Estimativas

Mesmos procedimentos para as predições do CO



Emissões de NOx

Correlação Empírica

pzarstc TmTVP &/)01,0exp(109]HC [g/kg NO 25,18yxx

−×=



Emissões de SOxUHCPM

Atomização (UHC)Resfriamento (UHC)Semelhança com COAtomização (PM)

SOx – baixo nível de enxofre nos combustíveis usuais ou pré-tratamento (gaseificação)


Tecnologias para Redução de Emissões

Métodos de Controle


Injeção de Água



Definição operacional do regime de queima



Queima Pobre



Queima Estagiada



Queima Convencional



Queima Convencional



Queima Convencional



Queima Convencional



Queima em Regimes Distintos













Combustor Catalítico



Estabilização na Superfície









DLN - GE



DLN - LEA


DLN - LEA



DLN - GE




DLN - LEA



DLN - LEA



Bancada - LEA



Bancada - LEA



Bancada - LEA



Resultados - Emissões


Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara








Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara na Bancada


Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara Emissões

Documents

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