Revisao da modelagem da combustão de biomassa sólida em leito fixo com uma proposta de modelo multi-escala

Abstract

Pirólise, gaseificação e combustão em reatores de leito fixo podem ser utilizados para a produção de combustíveis e para queimar resíduos e biomassa para a produção de calor e potência. A modelagem da propagação da chama em leitos de materiais combustíveis é dificultada devido às interações locais entre as reações químicas e as taxas de transferência de calor e massa. As equações de conservação de massa, energia e quantidade de movimento linear na escala do reator podem ser formuladas em médias volumétricas. No entanto, secagem, pirólise, gaseificação e combustão do carbono fixo dependem de valores locais, na escala das partículas, de temperatura e concentração de espécies químicas. A chama na fase gasosa, na escala dos poros, também depende de valores locais de temperatura e concentração de espécies químicas. Portanto, estes processos ocorrendo nas diferentes escalas devem ser modelados em um único sistema de equações, unindo a escala do reator às escalas dos poros e partículas. Embora as equações para o escoamento reativo possam ser resolvidas microscopicamente nas escalas dos poros e partículas, a complexidade dos algoritmos e tempo computacional decorrente tornariam difícil e computacionalmente inviável resolver para as condições dos equipamentos nas aplicações. Nesta dissertação, os fenômenos que ocorrem nas diferentes escalas são apresentados e analisados com base nas em informações disponíveis na literatura. Então, um modelo multi-escala é proposto com abordagens intra-partícula e interpartícula utilizando formulações em médias volumétricas. O modelo permite a solução dos campos de concentração e temperatura para a partícula e para o leito em uma forma integrada e permite a inclusão de diversos efeitos locais, como variação de dimensões, porosidade e aumento de pressão interna. O modelo proposto encontra aplicação em pirólise, gaseificação e combustão em reatores de leito fixo. Pode ser diretamente estendido para condições tridimensionais, tornando-se uma ferramenta útil para a análise e projeto de sistemas de conversão de biomassa.

Abstract: Pyrolysis, gasification and combustion in fixed bed reactors can be used to produce fuels, burn residues and biomass for heat and power generation. Modelling flame propagation in beds of combustible material is difficult due to the local interaction between heat and mass transfer and chemical reactions. The conservation equations at the system level for transport in the gas and solid phase can be modelled using a volume-averaged approach. However, drying, pyrolysis, gasification and smoldering in the solid phase depend on the local temperature and the availability of gas species. The flame of the gas phase also depends on the local values of temperature and concentration of chemical species. Therefore, these processes occurring at different scales must be modeled in a single system of equations, uniting the reactor scale with the pore and particle scales. Although the equations for reactive flow can be solved microscopically at the pore and particle scales, the complexity of the algorithms and the resulting computational time would make it difficult and computationally infeasible to solve for the equipment conditions in the applications. In this dissertation, the phenomena that occur at different scales are presented and analyzed based on the information available in the literature. Then, a multi-scale model is proposed with intra-particle and inter-particle approaches using volumetric-averaged formulations. The model allows the solution of the concentration and temperature fields for the particle and the bed in an integrated form and allows the inclusion of several local effects, such as variation in dimensions, porosity and increase in internal pressure. The proposed model finds application in pyrolysis, gasification and combustion in fixed bed reactors. It can be directly extended to three-dimensional conditions, becoming a useful tool for the analysis and design of biomass conversion systems.