Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10400.22/6376
Título: Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets
Autor: Barbosa, Ricardo Couto
Orientador: Rego, Rui Filipe Neves de Araújo
Palavras-chave: Biomassa
Caldeira
Pellets
OpenFOAM
BiomassGasificationFoam
Simulação
Biomass
Boiler
Simulation
Data de Defesa: 2014
Resumo: A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.
The currently installed production of biomass pellets in Portugal is over 1 million tons/year, which makes biomass one of our most important renewable energy sources. However, most of this production is for exportation or to be used in biomass power plants, whose growth has been significant in recent years, with an expected installed capacity of 250 MW in 2020. The Portuguese market for pellet boilers is quite diversified. The study that we carried out led to the conclusion that 90% of the existing boilers in the Portuguese market have powers below 60 kW, most of which have fixed grate (81%), with electric ignition systems (92%) and top feeding of the solid biofuel (94%). The aim of this work was to develop a numerical simulation model of a biomass pellets boiler, which, besides allowing the optimization of the design and operation of this type of equipment, would also allow the evaluation of technological innovations in this area. To reach this goal we made the option to use the BiomassGasificationFoam, a recently published solver, written for use with OpenFOAM, an open source tool that would allow the simulation of processes such as the pyrolysis, gasification and combustion of biomass. This code, which was originally developed to describe the process of biomass gasification in thermogravimetric analysis, was adapted, by us, to take into consideration the gas phase combustion reactions of the gases resulting from the biomass pyrolysis (using the solver reactingFoam), and to be also able to perform the ignition of the biomass, which has been achieved by adapting the ignition code of XiFoam. The scheme of ignition of the biomass did not prove to be suitable for our purposes, because the combustion stopped when the ignition was inactivated, irrespective of the time during which it was active. Alternatively, two other schemes for the combustion of the biomass were used, the feed of a hot air stream, and the use of a heating resistance at the air inlet. Both schemes worked, but it was never possible to reach a self-sustaining combustion. The results obtained showed that the extent of the pyrolysis and gasification reactions, which are both endothermic, was very small, so that the corresponding amount of gases released was also very small, not being sufficient to release the energy required for the complete combustion of the biomass in a self-sustaining mode. To try to overcome this difficulty various alternatives were tested, some more realistic than others, which involved the use of biomass of different compositions, different kinetics, heats of reaction, heat transfer parameters, air velocities, numerical schemes for solving the system of differential equations and different parameters for the numerical schemes used. All these attempts were unsuccessful. This work led to the conclusion that the solver BiomassGasificationFoam, which was developed to describe the biomass gasification process in an inert atmosphere, wherein the biomass is heated by energy supplied by the reactor walls, is not suitable for the description of the process of combustion of biomass, which must be self-sustaining, and where the combustion reaction in the gas phase are important. Therefore, further work is necessary to adapt this solver to the description of the combustion of a fixed bed of a porous solid.
URI: http://hdl.handle.net/10400.22/6376
Designação: Mestrado em Engenharia Mecânica – Ramo de Energia
Aparece nas colecções:ISEP - DM – Engenharia Mecânica

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