Modelagem da formação de fuligem baseada no método das seções : efeitos do CO2 e acoplamento com a técnica FGM

Abstract

Regulamentações relacionadas as emissões de fuligem estão se tornando mais restritivas devido ao impacto negativo da fuligem no meio ambiente e na saúde humana. Desta forma, a massa total de fuligem e o tamanho das partículas emitidas devem ser controlados. Novas tecnologias de combustão, como oxy-fuel aliado a recirculação de gases de exaustão, tem demonstrado um grande potencial de redução da formação de poluentes. Neste contexto, este trabalho explora os efeitos da adição do CO2 na formação de fuligem em chamas de etileno enriquecidas em oxigênio. Chamas unidimensionais laminares contra-corrente foram estudadas numericamente considerando cinética química detalhada, modelos avançados de radiação térmica e o método das seções para a formação de fuligem. O método das seções contabiliza processos físicos (nucleação, condensação e coagulação) e químicos (crescimento super cial e oxidação) da formação da fuligem e é capaz de descrever a distribuição de distintos tamanhos de partículas. A radiação é resolvida através da equação da transferência radiante considerando o modelo da soma ponderada dos gases cinzas (WSGG) ou o método linha-por-linha (LBL) para a integração espectral. Os efeitos químicos, termo-físicos e radiantes do CO2 sobre formação de fuligem foram investigados através da adição de CO2 nas misturas de combustível e oxidante. Foi observado que o CO2 suprime a formação e o crescimento dos PAHs, levando a redução da produção de fuligem. Enquanto os efeitos químicos são mais importantes para a supressão dos PAHs quando o CO2 é adicionado ao oxidante, efeitos químicos e termo-físicos são igualmente importantes quando o CO2 é adicionado ao combustível. Em ambos os casos, efeitos químicos são mais signi cativos para a supressão da formação de fuligem. Uma vez que modelos globais de radiação térmica devem ser capazes de predizer adequadamente a estrutura de chamas, soluções obtidas com o modelo WSGG de superposição foram comparadas com soluções empregando a integração LBL. Pela primeira vez a abordagem LBL é empregada de forma acoplada com modelo detalhado de cinética química e o método das seções. Observou-se que o modelo WSGG de superposição obteve resultados similares aqueles encontrados com a integração LBL para a estrutura geral da chama e as predições de fuligem. Também foi mostrado que a reabsorção de radiação pelo meio participante é fundamental para as predições de fuligem, mesmo para baixos níveis de adição de CO2. No entanto, essas simulações detalhadas são computacionalmente demandantes mesmo para simulações unidimensionais. Visto que as técnicas amelets são capazes de modelar a cinética química detalhada de forma e ciente e acurada, simulações numéricas também foram conduzidas visando explorar a modelagem da formação de fuligem utilizando a técnica Flamelet-Generated Manifold (FGM). Os resultados indicaram que a técnica FGM, considerando efeitos de difusão preferencial e a abordagem simpli ca de PAHs agrupados (atuando como conexão entre a fase gás e sólida), foi capaz de prever a formação de fuligem para uma ampla faixa de taxas de deformação de chamas planas (sem efeitos de curvatura) quando comparadas com simulações detalhadas. Por outro lado, a técnica FGM, considerando um manifold formado somente por chamas planas, capturou apenas qualitativamente os processos de formação de fuligem em chamas curvadas, demonstrando a necessidade de expandir o manifold atual para contabilizar os efeitos de curvatura. Ainda é importante ressaltar que a técnica FGM foi aproximadamente três vezes mais rápida que a abordagem de cinética química detalhada para as simulações da formação de fuligem, e aproximadamente setenta vezes mais rápida quando somente a fase gás foi resolvida.

Soot emissions severely damage the environment and human health. Thus, total mass and particles size of soot released from hydrocarbon combustion has to be controlled and reduced. Combustion technologies such as oxygen-enriched and oxyfuel allied with flue gas recirculation have demonstrated their potential for reducing pollutants. In this context, this work explores the effect of CO2 addition on the soot formation process under an oxygen enriched atmosphere. A set of one-dimensional laminar counter ow ethylene flames are numerically studied accounting for detailed chemistry together with an advanced model for thermal radiation and the discrete sectional model for soot formation. The radiation is solved by the radiative transfer equation with with the superposition weight-sum-of-gray-gases (WSGG) model or the line-by-line (LBL) approach for the spectral integration. The effects of CO2 on soot formation was addressed for CO2 addition on either the fuel and on the oxidizer mixtures and different contributions by chemical, thermophysical and radiation effects were identified. It was observed that CO2 suppresses the formation of PAHs building block species, leading to a suppression of larger PAHS and, consequently, in the soot formation. Regarding the suppression of larger PAHs formation, it was found that whereas chemical effects played a major role for the CO2 addition on the oxidizer side, both chemical and thermophysical effects are important for CO2 addition on the fuel side. Soot is mainly suppressed by chemical effects of CO2 addition. Since, global radiative models should be able to reproduce detailed radiation simulations at conditions found in flames, solutions with the global superposition WSGG radiation model were compared to the LBL integration. For the first time, the LBL radiation model was coupled to detailed chemical kinetics and the discrete sectional model. It was observed that the superposition WSGG model is able to accurately describe general ame structure and soot predictions respective to the LBL integration approach for the current flames and that radiation reabsorption is important for soot predictions even for low levels of CO2 addition. However, those detailed simulations of soot formation are computationally intensive even for one-dimensional simulations. Because flamelet techniques are powerful tools for modelling complex chemical kinetics with efficiency and good accuracy, numerical investigations were also conducted to gain insight about the soot formation modelling with the Flamelet-Generated Manifold (FGM) technique. The results indicated that the FGM technique, considering differential diffusion effect and the solution of lumped PAHs (acting as a link between the gas- and the solid-phases), was able to predict soot formation over a wide range of strain rates for at (zero curvature) flames when compared to detailed simulations. On the other hand, curved flames obtained with a manifold formed solely by flat flamelets showed that soot formation was only qualitatively reproduced by the technique, making clear the necessity of expanding the current manifold to take into account curvature effects. It is worth pointing out that the FGM technique was up to three times faster than the detailed approach for soot modeling, and up to seventy times faster when only the gas-phase was solved.