Simulação computacional de dispositivos de mistura em câmara de combustão para gases de carbonização

Charcoal from planted forest represents a renewable energy source used by steelmaking in Brazil. However, the pyrolysis gas released from carbonization is characterized by a low lower heating value. The sustainability of charcoal production has demanded the combustion of pyrolysis gas, which can represent an environmental constraint. In this paper, different mixing devices were evaluated for a combustion chamber, a system that allows mitigating the environmental impacts of carbonization, use of thermal energy in the wood drying and electric power generation. An existent combustion system was analyzed and used as a reference to calibrate a computational fluid dynamics model. The input data for the model were gas composition, gas flow rate and its temperature. The model considers the differential equations of mass, momentum, energy and chemical species conservation, and it was used for the study of different mixing devices for gas burning. Among the devices studied (AC), the AC5 was more effective in the use of the entire chamber volume, resulting in a lower dead zone percentage and a longer residence time of gases (5% more), when compared to the device used in the reference system. The volume fraction of CO and O2 distribution and flow streamlines into the combustion chamber allows concluding that internal mixing devices are necessary for a better mixture between fuel and oxidizer and, consequently, to produce gas combustion with better quality.O carvão vegetal proveniente de florestas plantadas é uma fonte de energia renovável utilizada na siderurgia do Brasil, todavia, em sua produção há liberação do gás de pirólise, que pode ser considerado um gás com baixo poder calorífico inferior. A sustentabilidade da produção de carvão vegetal tem demandado a queima destes gases, podendo ser, inclusive, uma condicionante ambiental. Neste artigo foi avaliado o desempenho de diferentes dispositivos de mistura para câmara de queima, sistema que permite mitigar os impactos ambientais decorrentes da carbonização, assim como o possível aproveitamento da energia térmica na secagem da madeira e geração de energia elétrica. Um sistema de queima de gases existente foi utilizado como referência, sendo determinados a composição, vazão dos gases e temperaturas de trabalho para calibração de modelo em dinâmica dos fluidos computacional. O modelo utilizado consiste nas equações diferenciais de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e de espécies químicas, sendo empregado nos estudos de otimização de diferentes dispositivos de mistura. Dentre os dispositivos estudados (AC), o AC5 apresentou-se mais eficiente quanto ao aproveitamento do volume físico da câmara, tendo menor porcentagem de zona morta, representando ganho de 5% no tempo de residência, quando comparado ao AC1, dispositivo usado sistema de referência. Verificou-se por meio das distribuições espaciais da fração de volume de CO e O2, e das linhas de corrente, que os dispositivos de mistura internos são fundamentais para uma melhor mistura entre o combustível e o comburente e, consequentemente, produzir queima de gases com melhor qualidade

Qualidade do carvão vegetal submetido a diferentes taxas de resfriamento com trocador de calor

Charcoal is an important material in the national steelmaking industry and its use has many benefits over coal and coke, since it is renewable, less polluting and with lower contents of sulfur and phosphorus. The aim of this study was to evaluate the performance of the artificial cooling of the charcoal in a rectangular kiln. It was evaluated the influence of the variation of the velocity of the gas flow through the porous bed of charcoal in the final quality of the product. Four flow velocities were used, in three repetitions, totalizing 12 carbonization tests in a rectangular kiln. The used of heat exchanger provided a reduction from 76 to 28 hours in the cooling time. The highest reduction in cooling time was obtained with lower flow velocity. It was observed that, at higher velocities, part of the charcoal closed to the exhaust section of the kiln was burned, which resulted in an increase in the cooling time. However, these partial burns did not cause the significant difference in gravimetric yield in relation to the control. For the velocities adopted, it was verified that there was no significant difference between the treatments and the control in the quality parameters of the charcoal. Therefore, for the dimensioning of heat exchangers, the pressure difference between the suction openings and the gas injection should be considered to minimize the infiltration of air into the kiln.O carvão vegetal é um importante insumo na siderurgia nacional e seu uso tem muitas vantagens sobre o carvão mineral e o coque, uma vez que é renovável, menos poluente e com baixos teores de enxofre e fósforo. A partir disso, o objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho do resfriamento artificial do carvão vegetal em forno retangular.  Para isso, foi avaliada a influência da variação da velocidade do escoamento de gás pelo leito poroso de carvão na qualidade final do produto. Foram utilizadas quatro velocidades de escoamento, em 3 repetições, totalizando 12 ensaios de carbonizações da madeira em um forno retangular. O uso do trocador de calor proporcionou redução no tempo de resfriamento de 76 para 28 horas. A maior redução no tempo de resfriamento foi obtida com a menor velocidade de escoamento. Nas maiores velocidades ocorreu queima de uma parte do carvão na seção de saída dos gases do forno, o que provocou aumento no tempo de resfriamento. No entanto, verificou-se que essas queimas parciais não causaram diferença significativa no rendimento gravimétrico em relação à testemunha. Para as velocidades adotadas, verificou-se que não houve diferença significativa entre os tratamentos e a testemunha nos parâmetros de qualidade do carvão. Portanto, no dimensionamento de trocadores de calor, deve-se considerar a diferença de pressão entre as aberturas de sucção e injeção dos gases no forno para minimizar a infiltração de ar no forno

Characterization and mapping of waste from Coffee and Eucalyptus production in Brazil for thermochemical conversion of energy via gasification

The generation of waste is an intrinsic characteristic of forestry and agricultural production and has become a major concern. Brazil is a great agricultural producer, and in recent years both the planted area and crop production have grown significantly, with a corresponding increase in agricultural waste. In the context of climate change, efficiency and energy security, it is fundamental to develop alternative energies that meet the needs of both the energy supply and sustainable development. Wood chips and coffee husks are low cost residues and potentially capable of generating heat, steam and electric power, thus they can serve as an alternative fuel for generating energy. This work aims to relate the agricultural market to the energy market, using waste from coffee and eucalyptus production to generate energy, as well as mapping waste production in Brazil by region. It was observed that Brazil has a great capacity to generate alternative energy, since approximately 11.4×10^6 t of wastes are generated per year from coffee and eucalyptus production alone. These wastes can be used for the thermochemical conversion of energy via gasification, with potential to generate a total of 201.3 PJ