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AC 285 Elementos de Combustão ANEXO III Con, Notas de estudo de Engenharia Aeroespacial

Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP)Engenharia Aeroespacial

Combustão em sistemas térmicos

Tipologia: Notas de estudo

2010

Compartilhado em 26/11/2010

sergio-oliveira-11 🇧🇷

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AC 285 Elementos de Combustão

ANEXO III

Conteúdo: Estudo de Cinética Química Evolvendo a

Formação de NOx

Título: Estudo Cinético da Formação de NOx em Chamas

Enriquecidas com Oxigênio

Baseado na Referência:

LACAVA, P. T., VERAS, C.A.G., CARVALHO JR, J.A., , PIMENTA, Estudo Cinético da

Formação de NOx em Chamas Enriquecidas com Oxigênio, anais, 2006. V CEM-NNE 98.

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AC 285 Elementos de Combustão

ANEXO III

Conteúdo: Estudo de Cinética Química Evolvendo a

Formação de NOx

Título : Estudo Cinético da Formação de NO

x

em Chamas

Enriquecidas com Oxigênio

Baseado na Referência:

LACAVA, P. T., VERAS, C.A.G., CARVALHO JR, J.A., , PIMENTA, Estudo Cinético da

Formação de NOx em Chamas Enriquecidas com Oxigênio, anais, 2006. V CEM-NNE 98.

1. INTRODUÇÃO

O princípio básico de um processo de enriquecimento de combustão é relativamente

simples. O ar é formado por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e traços de outros

constituintes. O nitrogênio pode ser considerado como um gás inerte do ponto de vista global

do processo de combustão; assim, seu papel fica limitado apenas a absorver calor que poderia

estar disponível para outros fins. Um aumento na concentração de oxigênio para valores

acima dos 21% do ar atmosférico, reduz a vazão dos produtos de combustão, proporciona a

utilização de câmaras com volume menor e aumenta a eficiência térmica do processo (Clark e

Griffith, 1990).

Estuda-se o enriquecimento com oxigênio principalmente para dois tipos de aplicação

industrial: os processos que requerem altas temperaturas de operação, tais como fornos de

produção de vidro, metais fundidos e óxidos metálicos, e para incineração de resíduos com

baixo poder calorífico. Para o segundo caso, o enriquecimento proporciona um aumento na

taxa de incineração que pode chegar na correspondência de 1kg de resíduo adicional para

cada 1kg de oxigênio acrescentado a câmara (Lacava e Carvalho Jr., 1996, Melo et al.,1997)

Enriquecer o ar é uma das diversas técnicas que estão sendo desenvolvidas para

aprimorar os sistemas de combustão. No entanto, é necessário um compromisso entre o

aumento da produtividade, com baixo capital investido e redução do custo energético, com o

controle da emissão de poluentes (NOx , CO, particulados, etc). O aumento da porcentagem

de oxigênio no oxidante (>21%) propicia o aumento global ou local da temperatura e da

concentração de oxigênio, causando alterações nos mecanismos que levam à formação do

NOx.

O presente texto apresenta uma investigação teórica baseada em cinética química,

abordando os efeitos da concentração de oxigênio e pressão, sobre a formação de NOx na

combustão do metano (CH 4 ) com ar enriquecido. Foram realizadas simulações envolvendo a

evolução temporal das espécies químicas e simulações de reatores de misturas homogêneas.

2. MODELAGEM COMPUTACIONAL

Conforme observado por Oran e Boris (1981), sistemas reativos apresentam diversos

problemas que precisam ser transpostos para uma correta modelagem computacional. Tais

dificuldades estão associadas com:

(1) múltiplas escalas de tempo,

(2) múltiplas escalas espaciais,

(3) complexidade geométrica,

(4) complexidade física.

Mais especificamente, em chamas difusivas, os itens (1) e (2) precisam ser discutidos

uma vez que exercem grande influência na escolha do procedimento numérico a ser utilizado

na solução de sistemas reativos. A diversidade de escalas de tempo faz com que a cadeia de

equações seja descrita como rígida (“stiff”). A rigidez pode ser identificada comparando-se

tempos característicos de diferentes equações ou mesmo entre termos de uma mesma equação

ou ainda, quando o passo temporal de integração escolhido precisa ser maior que do que o

menor tempo característico do sistema. Por exemplo, a taxa de oxidação de alguns

hidrocarbonetos pode ser várias ordens de magnitude maior do que de outras espécies que

compõem o sistema a ser integrado. Ou ainda, o tempo característico da difusão de uma dada

espécie pode ser expressivamente maior que o tempo caraterístico da taxa de criação ou

destruição desta espécie. Neste trabalho foram utilizadas rotinas em que a escala espacial e as

características geométricas do sistema não são consideradas. Portanto, o parâmetro principal

que determina a convergência é o tempo de integração. Para a solução do problema de valor

As simplificações que foram realizadas no modelo detalhado são pertinentes aos

casos estudados no presente trabalho. Foram efetuadas simulações que envolvem combustão

estequiométrica do metano com ar enriquecido em diversos níveis de oxigênio e pressão.

Sendo assim, para combustão rica ou pobre é necessário rever algumas das simplificações

feitas.

No mecanismo de oxidação do metano, a principal simplificação realizada é a não

inclusão das reações que fazem parte do sub-mecanismo hidrocarbonetos - C 2 ( C 2 H , C 2 H 2 ,

C 2 H 3 , C 2 H 4 , C 2 H 5 e C 2 H 6 ), por serem importantes apenas em condições de baixa temperatura,

ou com excesso de combustível (Glarborg et al., 1992).

Sabe-se que para combustão do metano, onde combustível e oxidante estão bem

misturados, pouca amônia é formada (Glarborg et al., 1992). Desta forma, adotando essa

condição para o presente estudo, pode-se desconsiderar as reações envolvendo NH 3 e NH 2 na

química do nitrogênio. No entanto, as reações que envolvem o radical NH devem ser

consideradas, pois o mecanismo HCN ⇒ NCO ⇒ NH ⇒ N ⇒ NO, conhecido como

mecanismo de oxidação do HCN, é de grande importância na formação do prompt-NO

(Miller e Bowman, 1989). Também foram retiradas as reações que envolvem o radical HNO e

as espécies isocianetas HNCO, HCNO e HOCN (Glarborg et al., 1992).

A Tabela 1 apresenta as 90 reações que compõem o modelo simplificado utilizado

nesse trabalho, no formato de saída do interpretador do pacote CHEMKIN II. Apesar das

simplificações, o modelo contém os principais passos de formação e destruição do NO na

combustão do metano. Além das reações 55-57, que representam o NO térmico, o modelo

inclui as reações de iniciação do mecanismo prompt-NO, reações 85 e 88, com os principais

passos no processo de oxidação do HCN. A destruição do NO formado ocorre por meio de

suas reações com CHi (i = 0, 1, 2 e 3) e com espécies nitrogenadas (NH, N e NCO). Também

estão incluídas no modelo as principais reações de formação e destruição de N 2 O (54, 58-62 e

Para verificar a validade das simplificações efetuadas, realizou-se uma comparação

entre casos simulados tanto com o modelo detalhado como com o modelo simplificado,

usando o pacote computacional CHEMKIN II. Os resultados são para um tempo de reação de

seg. Também foram comparados os resultados de ambos modelos com simulações

feitas usando o código computacional NASA SP-273, que calcula complexos estados de

equilíbrio químico através da minimização de uma função termodinâmica apropriada (Gordon

e McBride, 1971). Para o caso de processos a pressão constante, como os estudados aqui, o

mais apropriado é a minimização da energia livre de Gibbs. Para comparar os resultados,

foram utilizados como parâmetros a temperatura de chama adiabática e a fração molar das

espécies químicas H 2 O, CO 2 e CO. Tais espécies foram escolhidas por apresentarem grande

concentração no equilíbrio químico. As Tabelas 2 e 3 apresentam os resultados para os efeitos

da porcentagem de oxigênio e da pressão, respectivamente. Os resultados do modelo

simplificado concordam bem com os resultados do modelo detalhado e do programa NASA

SP-273. Sendo assim, pode-se concluir que as simplificações feitas não influenciaram o

mecanismo reacional do hidrocarboneto. A Tabela 2, apresenta comportamentos esperados na

combustão enriquecida do metano, como por exemplo: rápido aumento da temperatura, até

um nível de enriquecimento de 50%, seguido de um aumento não tão eficiente para valores

acima deste, e aumento das frações molares de H 2 O, CO 2 e CO com aumento da porcentagem

de oxigênio (Westbrook, 1986).

Tabela 1: Modelo simplificado para combustão do metano, com química do nitrogênio

incluída.

k = A T**b exp(-E/RT) Nota: A dado em mol-cm-sec-K, E dado em cal/mol.

Tabela 2: Comparação entre os resultados do modelo simplificado, do modelo detalhado e do

programa NASA SP-273, para simulação da combustão do metano com diversos níveis de

TEMPERATURA [K] FRAÇÃO MOLAR – H 2 O FRAÇÃO MOLAR – CO Modelo Simplificado Modelo Detalhado Modelo Simplificado Modelo Detalhado Modelo Simplificado Modelo Detalhado Modelo Simplificado Modelo Detalhado

1. H+O2=O+OH 3.47E+16 -.7 17070. REACTIONS CONSIDERED A b E
1. O+H2=OH+H 5.00E+04 2.7 6288.
1. OH+H2=H2O+H 1.00E+08 1.6 3298.
1. OH+OH=H2O+O 1.50E+09 1.1 99.
1. H+OH+M=H2O+M 2.20E+22 -2.0. - H2O Enhanced by 5.000E+
1. H2+O2=OH+OH 1.70E+13 .0 47688.
1. H+O2+M=HO2+M 6.90E+17 -.8. - H2O Enhanced by 1.860E+ - CO2 Enhanced by 4.200E+ - H2 Enhanced by 3.330E+ - CO Enhanced by 2.110E+ - N2 Enhanced by 1.260E+
1. HO2+H=OH+OH 1.70E+14 .0 874.
1. HO2+OH=H2O+O2 2.90E+13 .0 495.
10.CO+OH=CO2+H 4.40E+06 1.5 -735.
11.CH3+H(+M)=CH4(+M) 6.00E+16 -1.0. - Low pressure limit: .80000E+27 -.30000E+01 .00000E+ - SRI centering: .45000E+00 .79700E+03 .97900E+ - H2 Enhanced by 2.000E+ - CO Enhanced by 2.000E+ - CO2 Enhanced by 3.000E+ - H2O Enhanced by 5.000E+
12.CH4+H=CH3+H2 1.30E+04 3.0 8047.
13.CH4+O=CH3+OH 6.90E+08 1.6 8484.
14.CH4+OH=CH3+H2O 1.60E+07 1.8 2781.
15.CH3+H=CH2+H2 8.91E+13 .0 15100.
16.CH3+OH=CH2OH+H 1.70E+10 1.0 3140.
17.CH3+O2=>CH2OH+O 1.29E+31 .0 26900.
18.CH3+HO2=>CH2OH+OH 2.00E+13 .0.
19.CH3+O=CH2O+H 8.40E+13 .0.
20.CH3+OH=CH2*+H2O 5.00E+13 .0.
21.CH3+HCO=CH4+CO 1.20E+14 .0.
22.CH2OH+M=CH2O+H+M 1.10E+43 -8.0 42998.
23.CH2OH+O2=CH2O+HO2 2.20E+14 .0 4709.
24.CH2O+H=HCO+H2 1.30E+08 1.6 2165.
25.CH2O+OH=HCO+H2O 3.40E+09 1.0 -457.
26.HCO+M=H+CO+M 1.90E+17 -1.0 17028. - CH4 Enhanced by 2.800E+ - CO Enhanced by 1.900E+ - CO2 Enhanced by 3.000E+ - H2 Enhanced by 1.900E+ - H2O Enhanced by 5.000E+
27.HCO+H=CO+H2 7.20E+13 .0.
28.HCO+OH=>CO+H2O 1.10E+14 .0.
29.HCO+O2=CO+HO2 7.60E+12 .0 397.
30.CH2+H+M=>CH3+M 2.40E+31 -4.4.
31.CH2+O2=>CO2+H2 2.29E+12 .0.
32.CH2+O=>CO+H+H 7.00E+13 .0.
33.CH2+O=>CO+H2 5.00E+13 .0.
34.CH2+OH=CH2O+H 3.00E+13 .0.
35.CH2+OH=CH+H2O 1.10E+07 2.0 2980.
36.CH2+O2=CH2O+O 5.00E+13 .0 8941.
37.CH2+CO2=CO+CH2O 1.10E+11 .0 993. - 37.CH2+CO2=CO+CH2O 1.10E+11 .0 993. - 38.CH2+M=CH2+M 1.00E+13 .0. - H Enhanced by 2.000E+ - 39.CH2+H=CH+H2 3.00E+13 .0. - 40.CH2+O2=>CO+OH+H 3.10E+13 .0. - 41.CH+H=C+H2 1.50E+14 .0. - 42.CH+O=>CO+H 6.00E+13 .0. - 43.CH+OH=HCO+H 3.00E+13 .0. - 44.CH+OH=C+H2O 4.00E+07 2.0 2980. - 45.CH+O2=HCO+O 3.30E+13 .0. - 46.CH+H2O=CH2O+H 5.70E+12 .0 -755. - 47.CH+CO2=HCO+CO 3.40E+12 .0 685. - 48.C+OH=>CO+H 5.00E+13 .0. - 49.C+O2=>CO+O 2.00E+13 .0. - 50.NH+H=N+H2 3.20E+13 .0 645. - 51.NH+O=NO+H 7.80E+13 .0. - 52.NH+OH=N+H2O 5.00E+11 .5 1987. - 53.NH+O2=NO+OH 7.60E+10 .0 1523. - 54.NH+NO=N2O+H 4.30E+14 -.5. - 55.N+OH=NO+H 3.80E+13 .0. - 56.N+O2=NO+O 6.40E+09 1.0 6278. - 57.N+NO=N2+O 3.30E+12 .3. - 58.N2O+M=N2+O+M 9.30E+14 .0 59610. - 59.N2O+H=N2+OH 1.90E+06 2.4 13511. - 60.N2O+O=NO+NO 1.00E+14 .0 28215. - 61.N2O+O=>N2+O2 1.00E+14 .0 28215. - 62.N2O+OH=N2+HO2 2.00E+12 .0 9935. - 63.CN+H2=HCN+H 3.00E+05 2.5 2246. - 64.HCN+O=NCO+H 1.40E+04 2.6 4967. - 65.HCN+O=NH+CO 3.50E+03 2.6 4967. - 66.HCN+O=CN+OH 2.70E+09 1.6 29208. - 67.HCN+OH=CN+H2O 1.50E+13 .0 10928. - 68.CN+O=CO+N 1.80E+13 .0. - 69.CN+OH=NCO+H 6.00E+13 .0. - 70.CN+O2=NCO+O 2.60E+14 -.5. - 71.NCO+M=N+CO+M 3.10E+16 -.5 47688. - 72.NCO+H=CO+NH 5.00E+13 .0. - 73.NCO+O=>NO+CO 4.20E+13 .0. - 74.NCO+OH=NO+CO+H 1.00E+13 .0. - 75.NCO+N=>N2+CO 2.00E+13 .0. - 76.NCO+NO=N2O+CO 1.00E+13 .0 -397. - 77.CO2+N=NO+CO 8.60E+11 .0 2205. - 78.CO2+CN=NCO+CO 4.00E+14 .0 38150. - 79.CH3+NO=>HCN+H2O 5.30E+11 .0 14902. - 80.CH2+N=>HCN+H 5.00E+13 .0. - 81.CH2+N2=HCN+NH 1.00E+13 .0 73519. - 82.CH2+NO=NCO+H2 3.50E+12 .0 -1092. - 83.CH2+NO=HCN+OH 1.00E+14 .0. - 84.CH+N=>CN+H 1.30E+13 .0. - 85.CH+N2=HCN+N 4.40E+12 .0 21896. - 86.CH+NO=HCN+O 1.10E+14 .0. - 87.CH+N2O=>HCN+NO 9.60E+12 .0 -993. - 88.C+N2=CN+N 6.30E+13 .0 45999. - 89.C+NO=CN+O 1.90E+13 .0. - 90.C+NO=>CO+N 2.90E+13 .0.
- %O enriquecimento de oxigênio, a pressão de 1atm e temperatura inicial dos reagentes em 800 K. - CO FRAÇÃO MOLAR – - SP- NASA - SP- NASA - SP- NASA - SP- NASA - 21 2457 2461 2456 0,174 0,174 0,173 0,0725 0,0724 0,0725 0,0207 0,0208 0, - 35 2752 2756 2752 0,235 0,236 0,236 0,0812 0,0814 0,0812 0,0586 0,0585 0, - 50 2902 2906 2901 0,280 0,280 0,280 0,0920 0.0919 0,0920 0,0869 0,0871 0, - 75 3031 3036 3031 0,331 0,331 0,330 0,0945 0,0946 0,0945 0,1330 0,1330 0,
  - 100 3106 3111 3105 0,364 0,365 0,364 0,1000 0,1010 0,1000 0,1620 0,1620 0,

virtude da diminuição da concentração do oxigênio atômico com o aumento da pressão

(Meggyes e Boschan, 1988).

0.0E+0 1.0E-2 2.0E-2 3.0E-2 4.0E-2 5.0E-2 6.0E-

TEMPO [seg]

0.0E+

5.0E-

1.0E-

1.5E-

2.0E-

2.5E-

3.0E-

3.5E-

4.0E-

4.5E-

5.0E-

FRAÇÃO MOLAR - NO

1 5 10 15

pressão [atm]

3a) 21% de O 2.

0.0E+0 2.0E-3 4.0E-3 6.0E-3 8.0E-3 1.0E-

TEMPO [seg]

0.0E+

1.0E-

2.0E-

3.0E-

4.0E-

5.0E-

6.0E-

7.0E-

8.0E-

9.0E-

1.0E-

1.1E-

1.2E-

1.3E-

FRAÇÃO MOLAR - NO

pressão [atm]

3b) 35% de O 2.

Figura 3: Evolução temporal da formação de NO entre as reações do metano com ar (21% O 2 )

e com enriquecimento de 35%, para as pressões de 1, 5, 10 e 15atm.

Para os níveis de temperatura estudados aqui, a maior parte do NO é formado pelo

processo conhecido como NO térmico, reações 55-57 da Tabela 1. Para processos não ricos

em combustível, a reação 57 é o principal caminho para formação do NO (Glassman, 1987).

Sendo assim, há uma dependência muito grande da formação do NO com a concentração do

oxigênio atômico, que é formado principalmente pela dissociação do O 2 na reação 1. No

entanto, com o aumento da pressão, a reação 7 passa a competir eficientemente com a reação

1 pelo radical H (Westbrook e Dryer, 1984). Assim, menos oxigênio atômico está disponível

e, conseqüentemente, menos NO também. A redução do oxigênio atômico com aumento da

pressão, para a combustão do CH 4 com o ar, pode ser observada na figura 4a. Para as pressões

acima de 1atm, grande parte do oxigênio atômico formado na região de chama é rapidamente

consumido pelo mecanismo de conversão de CH 4 em CO 2.

Observando a Figura 3b, percebe-se que o aumento da pressão corresponde ao também

aumento da formação de NO em chamas enriquecidas com 35% de O 2 , ou seja,

comportamento contrário ao da combustão com ar. Apesar do oxigênio atômico também

diminuir com o aumento da pressão, para 35% de O 2 , ele consegue atingir patamares

superiores ao da combustão com ar, conforme pode ser visto na Figura 4. Sendo assim,

mesmo com sua diminuição, ainda há oxigênio atômico suficiente para que o aumento da

temperatura em virtude do aumento de pressão também cause um aumento na formação de

NO. Para outros níveis de enriquecimento, comportamentos semelhantes também foram

observados, omitidos aqui por questão de espaço.

4a) 21% de O 2.

0.0E+0 1.0E-4 2.0E-4 3.0E-4 4.0E-

TEMPO [seg]

0.0E+

4.0E-

8.0E-

1.2E-

1.6E-

2.0E-

1000

2000

3000

4000

0.0E+

4.0E-

8.0E-

1.2E-

1.6E-

2.0E-

1000

2000

3000

4000

0.0E+

4.0E-

8.0E-

1.2E-

1.6E-

2.0E-

FRAÇÃO MOLAR - O

1000

2000

3000

4000

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

A

[

K

]

0.0E+

4.0E-

8.0E-

1.2E-

1.6E-

2.0E-

1000

2000

3000

4000

fração molar - o

temperatura

P=15atm

P=10atm

P=5atm

P=1atm