Avaliação da influência da correlação da combustão enriquecida com O2 e excitação acústica em chamas de gás natural

Abstract

O uso da combustão nas atividades industrial e doméstica é de suma importância para o desenvolvimento econômico e social. Mesmo com o fomento às alternativas energéticas para a redução do uso da combustão, esta será um mecanismo de geração de energia ainda muito utilizado, seja pelo uso do gás natural como combustível menos poluente, como também a partir do uso de gases de síntese provenientes da gaseificação da biomassa. Contudo, as reações de combustão são as principais fontes de emissão de poluentes atmosféricos, tais como CO (monóxido de carbono), NOx (óxidos de nitrogênio), compostos orgânicos voláteis e material particulado. Diante desta realidade, faz-se necessário o estudo de novas técnicas de combustão, bem como a correlação entre elas com o objetivo de trazer maior sustentabilidade à combustão. O objetivo do trabalho foi correlacionar a técnica de combustão enriquecida com oxigênio (OEC – Oxygen Enhanced Combustion) e a combustão pulsante pela excitação acústica de chamas, forçada por uma fonte externa, avaliando o efeito do uso dessas técnicas nas emissões atmosféricas do CO e NOx e na temperatura dos gases de exaustão em chamas difusivas e confinadas de gás natural. Para tal, foi desenvolvido um queimador experimental com sistemas de atuação acústica através de um alto-falante e enriquecimento do oxidante com oxigênio. Foi utilizado um planejamento experimental fatorial 23 onde os fatores controláveis de entrada foram: tensão de entrada no alto-falante (amplitude de sinal), nível de enriquecimento do oxidante e razão de equivalência. Foram determinadas as condições otimizadas das variáveis estudadas através da utilização da equação de regressão para cada variável. Os resultados mostraram uma boa representatividade do modelo de regressão encontrado. Pela análise dos dados, foi possível identificar quais fatores tem maior efeito nas variáveis resposta, bem como observar uma tendência geral de redução nas emissões de CO com o enriquecimento do oxidante com O2 e também em algumas condições com chama excitada acusticamente. Foi possível também identificar uma redução das concentrações de NOx para chamas enriquecidas com O2, com a inclusão de excitações sonoras à chama. Ficou evidenciado também o comportamento antagônico da concentração de NOx com a de CO. O queimador projetado foi validado através dos testes de validação, que apresentaram desvios aceitáveis para os valores encontrados nos testes experimentais, com relação aos encontrados pelo modelo de regressão proposto. Os resultados encontrados mostram que as técnicas de OEC e combustão pulsante aplicadas em conjunto e de forma controlada podem trazer ganhos para redução nas emissões de poluentes e aumento na eficiência de equipamentos térmicos a combustão, visto que houve uma significativa redução nas emissões de CO que evidencia o aumento de eficiência, além de ser observado também uma redução nas emissões de NOx para condição de aplicação conjunta do enriquecimento com O2 e excitação sonora da chama. ABSTRACT: The use of combustion in industrial and domestic activities is of paramount importance for economic and social development. Even with the promotion of energy alternatives to reduce the use of combustion, this will be an energy generation mechanism still widely used, either through the use of natural gas as a less polluting fuel, as well as from the use of synthesis gases from biomass gasification. However, combustion reactions are the main sources of emission of atmospheric pollutants, such as CO (carbon monoxide), NOx (nitrogen oxides), volatile organic compounds and particulate matter. Given this reality, it is necessary to study new combustion techniques, as well as the correlation between them in order to bring greater sustainability to combustion. The objective of this work was to correlate the oxygen enriched combustion technique (OEC - Oxygen Enhanced Combustion) and the pulsating combustion by the acoustic excitation of flames, forced by an external source, evaluating the effect of the use of these techniques in the atmospheric emissions of CO and NOx and on the temperature of the exhaust gases in diffused and confined natural gas flames. For this, an experimental burner was developed with acoustic actuation systems through a loudspeaker and enrichment of the oxidant with oxygen. A 23 factorial experimental design was used, where the controllable input factors were: input voltage at the loudspeaker (signal amplitude), level of oxidant enrichment and equivalence ratio. The optimized conditions of the studied variables were determined through the use of the regression equation for each variable. The results showed a good representation of the regression model found. By analyzing the data, it was possible to identify which factors have the greatest effect on the response variables, as well as to observe a general trend of reduction in CO emissions with the enrichment of the oxidant with O2 and also in some conditions with acoustically excited flame. It was also possible to identify a reduction in NOx concentrations for flames enriched with O2, with the inclusion of sound excitations to the flame. It was also evidenced the antagonistic behavior of the concentration of NOx with that of CO. The designed burner was validated through validation tests, which showed acceptable deviations from the values ​​found in the experimental tests, in relation to those found by the proposed regression model. The results found show that the techniques of OEC and pulsed combustion applied together and in a controlled way can bring gains to reduce pollutant emissions and increase the efficiency of thermal combustion equipment, since there was a significant reduction in CO emissions that shows the increase in efficiency, in addition to a reduction in NOx emissions for the condition of joint application of enrichment with O2 and sound excitation of the flame.