Post on 04-Aug-2015
Combustão em Turbinas a GásCap. 5 - Formação e Controle de Poluentes
Carlos Alberto Gurgel VerasLaboratório de Energia e Ambiente
Departamento de Engenharia Mecânica – UnB
http://allgreen.com/site/images/stories/power_plant_emissions.jpg
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Turbinas a Gás - Aplicações Principais
Aeronáuticas
• Turbo-jatos;• Turbo-fans;• APU – Auxiliary Power Unit;• Turbo-hélices;• Helicópteros.
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Turbinas a Gás - Aplicações Principais
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).
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Turbinas a Gás - Aplicações Principais
Estacionárias
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Turbinas a Gás - Aplicações Principais
Estacionárias
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Poluentes Principais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Poluentes Principais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Poluentes Principais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Introdução
Emissão de Poluentes - Aeronáuticas
http://static.guim.co.uk/sys-images/Arts/Arts_/Pictures/2007/02/13/jet460.jpg
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.
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Ciclo Ideal e Eficiência
(ideal)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Ciclo Básico e Eficiência
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Ciclo Básico e Eficiência
www.emeraldinsight.com/fig/1270800305001.png
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Ciclo Básico e Eficiência
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
www.msm.cam.ac.uk/.../coatings/index.html
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
www.me.umn.edu/labs/tcht/measurements/scan2.gif
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Materiais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Requerimentos para o combustor
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Ciclo Brayton – Processo de Combustão
Limites de flamabilidade
1≈φ
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Turbinas Aeronáuticas
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
ICAO Env. Report 2007
Implementação do padrão CAEP ( Committee on Aviation Environmental Protection)1981 estabelecido1986 efetivado
ICAO/CAEP
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Níveis de Emissões (Padrão ICAO)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Qualidade do Ar
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Emissões Globais
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Emissões GlobaisRastros de Condensação (CONTRAILS)
http://en.wikipedia.org/wiki/Contrail
Efeito no balanço de energia do planeta (radiação térmica)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Emissões Globais
http://en.wikipedia.org/wiki/Contrail
Não existe no momento padrão para emissões globais. Previsto para os próximos 10 a 20 anos
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Turbinas Estacionárias
http://en.wikipedia.org/wiki/Contrail
Limites para os EEUU – corrigido para 15% O2, base seca
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Emissão de Poluentes – Aspectos Regulatórios
Turbinas Estacionárias
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de CO
Equilíbrio químico
∞→rtt /
)/( skgmreag&
cV
Turbinas a gás????
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de CO
Equilíbrio químico adiabática
1500 K
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de CO
CFD + Cinética Química Global
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de CO
CFD + Cadeia de Reatores + mecanismos detalhados
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de CO
CódigoCHEMKIN
Estrutura do escoamento simplificadaCinética Química Detalhada
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
N2 do ar
NO + HO2 ↔ NO2 + OHTemperaturas relativamente baixas< 1500 K
NO2 + H ↔ NO + OH
NO2 + O ↔ NO + O2
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência do Tempo e Temperatura
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
Mecanismo Térmico - Zeldovich
Influência do Tempo e Razão de Equivalência
Marcante influência de ø
Influência do tempo para øelevado
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
Mecanismo Térmico - ZeldovichInfluência da Razão de Equivalência (ø)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
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
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx Parâmetros Cinéticos
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
Estimativas
Mesmos procedimentos para as predições do CO
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de NOx
Correlação Empírica
pzarstc TmTVP &/)01,0exp(109]HC [g/kg NO 25,18yxx
−×=
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Formação de Poluentes – Mecanismos Principais
Emissões de SOxUHCPM
Atomização (UHC)Resfriamento (UHC)Semelhança com COAtomização (PM)
SOx – baixo nível de enxofre nos combustíveis usuais ou pré-tratamento (gaseificação)
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Métodos de Controle
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Injeção de Água
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Definição operacional do regime de queima
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Pobre
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Estagiada
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Convencional
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Convencional
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Convencional
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima Convencional
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima em Regimes Distintos
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Queima em Regimes Distintos
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Queima em Regimes Distintos
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Queima em Regimes Distintos
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Combustor Catalítico
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Estabilização na Superfície
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Estabilização na Superfície
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Estabilização na Superfície
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
DLN - GE
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
DLN - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
DLN - LEA
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
DLN - GE
Tecnologias para Redução de Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
DLN - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
DLN - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Bancada - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Bancada - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Bancada - LEA
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de Emissões
Resultados - Emissões
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara na Bancada
Cap. 5 - Formação e Controle de PoluentesCarlos Alberto Gurgel Veras – UnB
Tecnologias para Redução de EmissõesNova Câmara Emissões