Effects of carbon dioxide from biogas in filtration combustion

• Main Author: PlÃcido GonÃalves Ferreira
• Other Authors: William MagalhÃes Barcellos
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal do Cearà 2015
• Subjects: Queimador poroso de fluxo recÃproco; CombustÃo; Gases - EmissÃo; Biogas; Reciprocal flow porous burner; Combustion; ENGENHARIA MEDICA
• Online Access: http://www.teses.ufc.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=15117

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior === The use of biogas, with high concentrations of carbon dioxide (CO2) in its composition, in thermal systems of conventional combustion can result in combustion instabilities, leading to a decrease of the flame front propagation velocity, resulting even to the flame extinction. In addition, this contaminant can increase greenhouse gas levels in the exhaust, such as carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (UHC), nitrogen oxides (NOx) among others. Thus, this research aims to demonstrate the effectiveness of "Filtration Combustion" (FC) to deal with fuels of low heat content, such as biogas. CF is a non-conventional technology capable of producing ultra-low emissions of CO, HC and NOx. The experimental apparatus used in this research consists of a porous burner constituted of ceramic spheres (alumina) that fill the combustion chamber, where heat exchangers are inserted at the porous matrix ends. The FC allows even the application of a reciprocating gas flow system, which periodically switches the direction of the gas flow in the chamber. The reciprocal filtration combustion allows the operation with several fuels and providing a stable combustion process with temperature distribution on trapezoidal profile, with temperature peaks between 1300 and 1600 K. In this context, the present experimental study tries to identify and to analyze the effects of carbon dioxide in FC, which covers energy extraction efficiency, emissions, reaction stability, and flammability limits using several air-fuel mixtures, altering both the CO2 concentration in the biogas composition as the equivalence ratio (ER), in which the technical methane is taken as the reference gas. The results have pointed out significant benefits of the reversal on the combustion process, allowing operation in a wide equivalence ratio range (0.1 <&#1060; <1.0), and achieving energy extraction efficiencies above 90%, with ultra-low CO and NOx emissions (below 1 ppm). However, when the burner operates on only flow direction, it is possible to realize a drastic reduction of the flammability limit, as the CO2 content in the biogas composition is increased. === A utilizaÃÃo do biogÃs, com elevadas concentraÃÃes de diÃxido de carbono (CO2) em sua composiÃÃo, em sistemas tÃrmicos de combustÃo convencionais pode resultar em instabilidades na reaÃÃo, levando a uma diminuiÃÃo da velocidade de propagaÃÃo da frente de chama (onda de combustÃo), ocasionando inclusive a sua extinÃÃo. AlÃm disso, este contaminante pode aumentar os Ãndices de gases poluentes na exaustÃo, tais como: monÃxido de carbono (CO), hidrocarbonetos nÃo queimados (HC), Ãxidos de nitrogÃnio (NOx), dentre outros. Por esta razÃo, esta pesquisa tem como objetivo demonstrar a eficÃcia da "CombustÃo de FiltraÃÃo" (CF) em lidar com os combustÃveis de baixo poder calorÃfico, como o biogÃs. CF à uma tecnologia nÃo-convencional capaz de produzir emissÃes ultrabaixas de CO, HC e NOx. O aparato experimental empregado nessa pesquisa consistiu de um queimador poroso, constituÃdo de esferas cerÃmicas (alumina) que preenchem a cÃmara de combustÃo, onde trocadores de calor estÃo inseridos nas extremidades dessa matriz porosa. A CF possibilitou, inclusive, a aplicaÃÃo de um sistema de escoamento recÃproco, que alternou periodicamente a direÃÃo do escoamento dos gases na cÃmara. A combustÃo de filtraÃÃo recÃproca permitiu a operaÃÃo com diversos combustÃveis e proporciona um processo de combustÃo estÃvel com a distribuiÃÃo de temperatura em perfil trapezoidal, com picos de temperatura entre 1300 e 1600 K. Neste contexto, o presente estudo experimental buscou identificar e analisar os efeitos do diÃxido de carbono na CF, o que engloba eficiÃncia de extraÃÃo de energia, emissÃes, estabilidade da reaÃÃo, e limites de inflamabilidade, utilizando vÃrias misturas ar-combustÃvel, alterando tanto a concentraÃÃo de CO2 na composiÃÃo do biogÃs como a razÃo de equivalÃncia (RE), tendo como gÃs de referÃncia o metano tÃcnico. Os resultados apontaram benefÃcios significativos da reversÃo sobre o processo de combustÃo, permitindo a operaÃÃo em uma ampla faixa de razÃo de equivalÃncia (0,1<&#1060;<1,0), e alcanÃando uma eficiÃncia de extraÃÃo de energia acima de 90%, com emissÃes ultrabaixas de CO e NOx (abaixo de 1 ppm). Em contrapartida, quando o queimador operou em apenas um sentido do escoamento, foi possÃvel perceber uma reduÃÃo no limite de inflamabilidade à medida que foi incrementado o teor de CO2 na composiÃÃo do biogÃs.