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Title in Portuguese: Desenvolvimento de caldeira de leito fluidizado borbulhante operando com gás natural
Title: Development of bubbling fluidized bed boiler operating with natural gas
Author: Feitosa, João Diego Moreira
Advisor(s): Freire, Francisco Nivaldo Aguiar
Co-advisor(s): Barcellos, William Magalhães
Keywords: Engenharia mecânica
Combustão
Gás natural
Fluidized bed
Combustion
Natural gás
Emissions
Issue Date: 30-Aug-2019
Citation: FEITOSA, J. D. M. Desenvolvimento de caldeira de leito fluidizado borbulhante operando com gás natural. 2019. 106 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: O aumento da demanda energética, concomitantemente com o crescimento populacional, têm induzido pesquisas e desenvolvimentos de novas tecnologias para aproveitamento do potencial energético dos combustíveis, tanto os fósseis como os renováveis, buscando mitigar os impactos ambientais. Neste contexto, a combustão em leito fluidizado surge como uma alternativa tecnológica para o aproveitamento de combustíveis sólidos e gasosos, de maneira eficiente e com menor emissão de poluentes, em relação aos métodos convencionais. Alinhada com essa proposta, a presente dissertação trata do desenvolvimento de uma caldeira de leito fluidizado aplicada à combustíveis sólidos e gasosos, com foco em lodo de esgoto, biogás e gás natural veicular (GNV), onde utilizou-se o GNV como combustível de referência e sílica como constituinte do leito. Por essa razão, dividiu-se esse trabalho de pesquisa nas seguintes etapas: i) Estudo de fenômenos e parâmetros fluidodinâmicos em protótipos preliminares; ii) Projeto básico e construtivo de um reator de combustão em leito fluidizado (RCLF) em escala de laboratório; iii) Fabricação, montagem e instrumentação; iv) Testes experimentais de fluidização e de combustão com gás natural e análise de operação do protótipo de laboratório fabricado. A bancada experimental para estudos em protótipos preliminares foi constituída de 3 tubos de acrílicos de diferentes diâmetros internos (DI) (44, 65 e 90 mm) com altura de 1000 mm e de um reator com revestimento interno de material refratário com diâmetro interno (DI) de 53 mm e altura de 550 mm. O aparato experimental, construído para essa pesquisa, foi constituído de um reator em aço carbono com diâmetro interno de 110 mm revestido internamente de concreto refratário e com altura de 935 mm. Além disso, o protótipo de laboratório conta com sistema de distribuição de ar pré-aquecido para combustão, sistema de partida por lança-chamas e sistemas de exaustão, dentre outros. Dessa forma, foram elaborados os projetos básico e construtivo, visando a fabricação e a montagem do protótipo, incluindo a provisão de instrumentos de monitoramento de processo. Por fim, por meio de ensaios experimentais, investigou-se os processos de fluidização e de combustão, focando a estabilidade e a inicialização do funcionamento (startup), avaliando o desempenho com GNV para amplas faixas de razão de equivalência (0,61<RE<1,27) e de velocidade de fluidização. Durante os ensaios foram observadas temperaturas médias de operação entre 711 °C e 956 °C, obtendo emissões de NOx e CO da ordem de 4 ppm e 0,205 % em volume, respectivamente.
Abstract: The increase of energy demand, concomitantly with population growth, has induced researches and developments of new technologies to harness the energy potential of both fossil and renewable fuels, seeking to mitigate environmental impacts. In this context, fluidized bed combustion emerges as a technological alternative for the use of solid and gaseous fuels, efficiently and with lower pollutant emission indices, compared to conventional methods. In line with this proposal, the present dissertation deals with the development of a fluidized bed boiler applied to solid and gaseous fuels, focusing on natural gas as reference fuel and using silica as the constituent medium of the porous bed. For this reason, this research was divided into the following steps: i) Study fluid dynamic phenomena and parameters in preliminary prototypes; ii) Basic and constructive designs of a fluidized bed combustion reactor in laboratory-scale; iii) Manufacture, assembly, and instrumentation; iv) Experimental tests of fluidization and combustion of vehicular natural gas (VNG) and operation analysis of the built laboratory prototype. The experimental setup for preliminary prototype studies consisted of 3 acrylic tubes of different internal diameters (DI) (44, 65 and 90 mm) with a height of 1000 mm and a reactor coated internally of refractory concrete with a diameter of 53 mm and height 550 mm. The experimental apparatus, built for this research, consisted of a carbon steel reactor with a height of 935 mm and an internal diameter of 110 mm, internally covered by a refractory material. In addition, the laboratory prototype has a preheated air distribution system for combustion, a startup system of the kind flamethrower and an exhaust system, among others. To this end, the basic and constructive designs were performed, aiming manufacture and assembly of the prototype, including the provision of process monitoring instruments. Lastly, through experimental testing, fluidization and combustion processes were investigated, focusing on stability and startup of the prototype in operation, evaluating its performance with VNG for broad equivalence ratio ranges (0.61 <RE <1.27) and fluidization velocity. Along the tests, average operating temperatures were observed between 711 °C and 956 °C, obtaining NOx and CO emissions about 4 ppm and 0.205% by volume, respectively.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/47687
metadata.dc.type: Dissertação
Appears in Collections:DEME - Dissertações defendidas na UFC

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