Proposição de um metamodelo para a representação do processo de combustão de carvão em um tubo de queda livre baseado em análise numérica

O presente trabalho apresenta uma metodologia de avaliação dos processos de combustão em um Drop Tube Furnace– DTF. O processo de combustão é modelado em um software comercial de Mecânica de Fluidos Computacional - CFD e posteriormente ampliado com o auxílio da metodologia estatística de Projeto de Experimentos – DoE. As simulações são baseadas em parâmetros de operação reais de um DTF associado a dados experimentais disponíveis na literatura, considerando a reação de combustão de carvão. O modelo CFD permite observar o perfil de escoamento, temperatura das partículas de carvão, etapas de devolatilização e oxidação do carbono residual, composição dos gases de combustão, taxa de queima de partículas (burnout), além dos efeitos da fuligem e da radiação térmica no processo. Os resultados do CFD mostram o efeito da queima e da fuligem na temperatura da chama, as taxas de burnout de acordo com o tempo de permanência e a temperatura no reator, e quantificam as emissões de CO e NOx. Os desvios médios entre os resultados calculados e os dados experimentais da literatura para temperatura e burnout são de 1,65 % e 3,2 %, respectivamente, obtidos com o modelo em CFD, e de 6,02 % e 3,5 % para o metamodelo. DoE é aplicado aos fatores de controle mais relevantes para as faixas de operação, como: excesso de ar (120 à 585 %), umidade (1,5 à 12 %) e teor de cinzas (1,5 à 10 %) do combustível. Os fatores de resposta observados são temperatura dos gases, burnout, carbono residual (Char), fração de cinza residual (Ash Residual), NOx e fuligem (Soot). O DTF é dividido em 7 volumes adjacentes para os quais são construídos metamodelos algébricos que permitem o cálculo rápido da fração mássica de cinza na partícula, carbono residual, fuligem e NOx. O desvio médio entre os resultados do metamodelo e dos dados experimentais é de 6,02 % para a temperatura dos gases, 3,58 % para o teor de cinzas residuais e 0,21% para a fuligem. Desvios maiores são encontrados nas regiões intermediárias do DTF. As duas abordagens numéricas são capazes de caracterizar o processo de combustão com uma boa concordância em relação aos dados experimentais usados como base.