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Título: Estudo experimental da fluidodinâmica a frio de partículas de carvão mineral e areia em leito fluidizado circulante
Título(s) alternativo(s): Experimental study of the cold fluid dynamics of mineral coal and sand particles in circulating fluidized bed
Autor(es): Martins, Relander
Orientador(es): Behainne, Jhon Jairo Ramirez
Palavras-chave: Carvão - Pesquisa
Fluidização
Dinâmica dos fluidos
Coal - Research
Fluidization
Fluid dynamics
Data do documento: 13-Fev-2014
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Ponta Grossa
Referência: MARTINS, Relander. Estudo experimental da fluidodinâmica a frio de partículas de carvão mineral e areia em leito fluidizado circulante. 2014. 106 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2014.
Resumo: Sistemas de leito fluidizado circulante representam uma tecnologia amplamente difundida em países desenvolvidos, com a qual se pode melhorar o aproveitamento de recursos energéticos em processos de conversão termoquímica, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Entre os combustíveis com elevado potencial de aplicação neste sistema, tem-se o carvão mineral, um recurso relativamente pouco utilizado no Brasil em virtude das suas propriedades físico-químicas, disponibilidade concentrada apenas na região sul e o atraso na implantação de tecnologias mais modernas capazes de proporcionar uma combustão mais eficiente e com menor impacto ambiental. Na tarefa de otimizar o processo de combustão é essencial conhecer, mesmo em condições a frio, o comportamento fluidodinâmico da mistura gás-sólido no interior do sistema, uma vez que este determina as características dos fenômenos de transferência de calor e de massa durante a conversão do combustível. Assim, o presente trabalho analisou os perfis da perda de pressão a frio de um leito fluidizado de escala laboratorial, alimentado com partículas de carvão mineral e areia quartzosa sob várias situações de operação. Um planejamento fatorial 22 em duplicata foi utilizado nos testes experimentais, totalizando oito testes, tendo como fatores controlados o inventário total de sólidos com os níveis de 3,5 kg e 5 kg e a relação mássica de mistura nos níveis de 5% e 10%. Durante os testes, a velocidade de fluidização foi mantida em 4 m/s na base do riser. Os resultados experimentais são comparados com simulações realizadas a partir de um modelo matemático semi-empírico desenvolvido em trabalhos anteriores, utilizando o software EES®. Operando o sistema com 5 kg foi verificado que o aumento da relação de mistura provoca um aumento da pressão estática no circuito, devido ao maior atrito das partículas sólidas com as paredes do sistema. Já para o inventário de sólidos de 3,5 kg, o efeito verificado na pressão estática pelo acréscimo da relação mássica de mistura foi menos evidente. O desvio obtido entre os resultados experimentais e os simulados no modelo foi considerado aceitável em todos os componentes, apresentando valores inferiores a 10% na região da válvula L. Adicionalmente, ao inserir um transdutor de pressão de resposta rápida na região inferior do riser foi avaliada a flutuação de pressão em função do tempo, obtendo-se também resultados consistentes. Uma análise estatística foi realizada com os dados de pressão obtidos pelo transdutor, a fim de estabelecer a magnitude e a relevância dos efeitos provocados pelas variáveis controladas.
Abstract: Circulating fluidized bed systems represent a technology widespread in developed countries, which can improve the utilization of energetic resources in thermochemical conversion processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. Mineral coal is among the fuels with high potential of application in this system. However, in Brazil, using mineral coal is limited due to its physicochemical properties, availability just concentrated in the south region and delay in the deployment of modern technologies, that could provide a more efficient combustion with less environmental impact. For optimizing the combustion process in fast bed systems, it is always necessary to know the fluid dynamics behavior of the gas-solid mixture, even in cold conditions, once it determines the characteristics of the phenomena of heat and mass transfer during the fuel conversion. The present work analyzes the pressure drop profile in cold conditions of a circulating fluidized bed in bench scale, which was fed with mixtures of mineral coal particles and quartz sand under various operating conditions. A factorial planning 22 with replications was utilized for programming the eight experimental tests, which had as controlled factors the total inventory of solids at levels of 3,5 kg and 5 kg and the mass mixing ratio at levels of 5% and 10%. During the tests, the fluidizing velocity was maintained in 4 m/s at the riser base. The experimental tests are compared with simulations obtained from a semi-empiric mathematical model developed in previous works in the EES® software. Results showed that operating the system with 5 kg and increasing the mixture ratio causes an increase in static pressure in the loop, due to the high friction of the particles with the system walls. On the other hand, when used a solids inventory of 3,5 kg, the effect checked in static pressure for increasing of the mixing ratio was less evident. The deviation obtained between experimental results and simulated in the model was considered acceptable in all components, showing values below 10% in the valve L region. Additionally, when a rapid response transducer was inserted in the lower region of the riser the pressure fluctuation in function of the time showed satisfactory results also. A statistical analysis was performed for the pressure data obtained from the transducer in order to determine the magnitude and relevance of the effects caused by the controlled variables.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/7482
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