Desenvolvimento de queimadores industriais de amônia e de recursos de modelagem

RESUMO 

A amônia, como combustível para aquecimento industrial e geração de vapor, está sendo considerada uma opção para ajudar a reduzir as emissões industriais de gases de efeito estufa, especialmente em regiões sem gás natural local ou espaço poroso para sequestro_{de CO₂}. A amônia é atraente como combustível de baixo carbono devido à sua densidade energética e à consequente facilidade de transporte em comparação com o hidrogênio e outras alternativas; à existência de protocolos, normas e infraestrutura já estabelecidos para o transporte de amônia; e à eliminação da necessidade de instalações adicionais e do consumo de energia para converter a amônia de um meio transportador (amônia/hidrocarboneto) em combustível (hidrogênio).  

Devido à sua baixa velocidade de propagação da chama laminar e à propensão a formar altas concentrações de óxidos de nitrogênio (_NOx), a amônia apresenta desafios como combustível quando comparada aos combustíveis à base de hidrocarbonetos gasosos e hidrogênio. Este artigo descreve o desenvolvimento, até o momento, de um queimador comercial baseado nos diversos conceitos de queimadores Zeecopara uso em aplicações de aquecimento industrial e geração de vapor. Além disso, descreve o desenvolvimento de ferramentas de modelagem que permitem a previsão do desempenho da combustão da amônia em um queimador para aplicações comerciais.  

O trabalho de desenvolvimento técnico aqui descrito faz parte de um programa mais amplo de combustão de amônia liderado pela ExxonMobil, que inclui pesquisas básicas realizadas pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e pela Universidade de Stanford, com o objetivo de aprofundar o conhecimento sobre a combustão de amônia para permitir o desenvolvimento de um queimador de amônia para aplicações comerciais específicas.

Os resultados dos testes do queimador GLSF FREE JET® modificado Zeeco, selecionado após testes com vários modelos de queimadores, foram apresentados neste artigo. Os testes foram realizados com diferentes misturas de amônia e hidrogênio ou gás natural em diversas condições operacionais, demonstrando avanços no desenvolvimento de um queimador de amônia capaz de proporcionar uma chama estável com níveis controláveis_{de NOx}. Este artigo inclui dados de testes de emissões de amônia de três projetos de queimadores comerciais, juntamente com análises de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e uma discussão sobre como a CFD pode ser utilizada para prever o desempenho da combustão na queima de amônia. O uso conjunto de testes de combustão e CFD é essencial para o desenvolvimento de novas tecnologias e para prever o desempenho em aplicações comerciais com razoável certeza. Por fim, este artigo descreve os próximos passos no programa de desenvolvimento de queimadores comerciais de amônia.

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INTRODUÇÃO

O interesse pela combustão de amônia como combustível livre de carbono para sistemas de energia vem ganhando força, especialmente em regiões onde o gás natural (GN) local e o sequestro_{de CO₂} são limitados ou inexistentes. A alta densidade energética da amônia, sua baixa intensidade de carbono e a consequente facilidade de transporte a tornam um combustível atraente em comparação com muitas alternativas, incluindo o hidrogênio. Além disso, embora ainda não seja amplamente utilizada, a indústria já dispõe de protocolos, normas e infraestrutura estabelecidos para o manuseio e transporte da amônia. Por fim, a combustão direta da amônia elimina a necessidade de instalações e do consumo adicional de energia exigidos para converter a amônia em hidrogênio. Os primeiros a adotar a queima de amônia podem ser observados em usinas termelétricas a carvão na Ásia, onde a amônia está sendo testada como combustível suplementar. Essa configuração reduz as emissões_{de CO₂}, mas ainda depende da tecnologia de redução catalítica seletiva (SCR) para reduzir tanto as emissões térmicas quanto_{as de NOx} associadas ao combustível.

Em comparação com os gases combustíveis industriais comumente utilizados, as propriedades da amônia são bastante diferentes e estão apresentadas na Tabela 1 abaixo. Ela apresenta baixa velocidade de chama, temperatura de chama mais baixa, limites de inflamabilidade estreitos e cinética química mais lenta. Essas características tornam a amônia um combustível muito mais difícil de queimar. Além disso, à medida que a amônia se decompõe em altas temperaturas, o nitrogênio reage com o oxigênio livre, com radicais hidroxila e com outros compostos, produzindo grandes quantidades de óxidos de nitrogênio (NO,_NO₂,_N₂O). Para possibilitar o uso generalizado da amônia como combustível livre de carbono para aquecimento industrial e geração de energia elétrica, esses desafios de combustão devem ser superados.

Tabela 1. Comparação entre a amônia e os gases combustíveis comuns.

A ExxonMobil e Zeeco uma parceria para desenvolver um queimador comercial de amônia que possa ser utilizado em equipamentos de aquecimento industrial novos e já existentes (aquecimento de processos, geração de vapor, etc.). O programa de desenvolvimento tem como objetivo produzir um queimador que ofereça flexibilidade na composição do combustível, garanta desempenho estável em todas as condições operacionais e vise reduzir as emissões de gases de efeito estufa. As metas de emissão para o projeto incluem_NOx inferior a 200 ppm (idealmente abaixo de 100 ppm) e fuga de amônia inferior a 50 ppm (de preferência abaixo de 10 ppm) a 3%_{de O₂} seco. Este artigo descreve os esforços de desenvolvimento realizados até o momento.

DESENVOLVIMENTO DE QUEIMADORES, PLANO DE TESTES E INSTALAÇÕES DE TESTE

Plano de Desenvolvimento e Testes:

Foram identificados três conceitos de queimadores como pontos de partida para o desenvolvimento de um queimador comercial de amônia:

1. 1. Queimador GBZeeco– um queimador convencional de gás bruto com estabilização de chama por corpo cônico em uma única ponta de combustível central
2. 2. FREE JET GLSF FREE JET Zeeco– um queimador_{de emissões ultrabaixas de NOx} (ULNB) com bicos de combustível em estágios estabilizados sobre uma placa refratária aquecida e com chama proveniente de bicos de combustível auxiliares localizados no interior da placa
3. 3. Queimador GLSF DTZeeco– um ULNB com o mesmo tipo de bicos escalonados e auxiliares dispostos ao redor de uma placa refratária, com um conjunto adicional de bicos de combustível escalonados ao redor da periferia do queimador

A Figura 1 mostra os esquemas dos três conceitos de queimadores.  

Figura 1. Conceitos de queimadores em testes iniciais — (da esquerda para a direita) GB, FREE JET, DT.

Os testes iniciais e a otimização da configuração dos queimadores foram realizados em versões com tiragem natural, com capacidade nominal de 4 MMBtu/h, desses três tipos de queimadores no Centro Global de Tecnologia (GTC) Zeeco, próximo a Tulsa, em Oklahoma. O teste de um queimador de tamanho na faixa inferior da escala comercial permitiu que um grande número de testes fosse realizado de forma rápida e econômica. A mistura mais intensa de combustível e ar, possibilitada pela maior queda de pressão do ar de combustão nos projetos de queimadores de tiragem forçada, pode mascarar deficiências no projeto do queimador durante o desenvolvimento inicial do conceito. Assim, os testes com tiragem natural foram selecionados para permitir uma melhor identificação de conceitos de configuração do queimador, visando otimizar a estabilização da chama e as emissões_{de NOx} e_NH₃.

Na fase inicial de testes do queimador, o queimador GB misturava amônia com combustível auxiliar, pois havia apenas uma corrente de gás sendo queimada. Os projetos ULNB (FREE JET DT) utilizaram fluxos de combustível separados para as pontas auxiliares (pontas no centro) e as pontas principais (pontas ao redor da placa do queimador), permitindo o uso de 100% de gás natural ou hidrogênio nas pontas auxiliares centrais, ao mesmo tempo em que maximizavam o teor_{de NH₃} do combustível nas pontas principais. Gás natural e hidrogênio foram utilizados como combustível auxiliar.  

Os resultados desses testes iniciais foram então utilizados para identificar o conceito de projeto mais promissor, que foi posteriormente otimizado para maximizar a porcentagem de amônia na mistura de combustível que poderia ser utilizada, mantendo a produção de uma chama estável com emissões reduzidas. Esse projeto mais promissor será utilizado para produzir um queimador de tiragem forçada dimensionado para a faixa de capacidade normalmente observada na maioria das aplicações de aquecimento industrial.

O desenvolvimento de técnicas de modelagem em dinâmica de fluidos computacional (CFD) para a combustão de amônia é parte integrante do desenvolvimento de queimadores comerciais de amônia. Enquanto a combustão de hidrocarbonetos e hidrogênio é bem compreendida, com cinéticas validadas, a modelagem da combustão de amônia encontra-se em seu estágio inicial de desenvolvimento. O trabalho de CFD concentrou-se no aprimoramento dos modelos de cinética química e de turbulência para simular melhor a combustão de amônia. O objetivo do trabalho de CFD é desenvolver ferramentas de CFD para apoiar o projeto de queimadores e prever o desempenho dos queimadores em aplicações comerciais.

Instalações de teste: 

Um forno de teste cilíndrico vertical (VC) com um único queimador, já existente no GTC Zeecoe dimensionado adequadamente para o queimador de 4 MMBtu/hr em teste, foi selecionado para a instalação de equipamentos que permitissem a queima de amônia. O forno de teste utilizado tinha uma altura da câmara radiante de cerca de 14’ e um diâmetro do círculo de tubos de 6’, com um único queimador sendo testado no centro do piso do forno. A temperatura da câmara de combustão do aquecedor era controlada por meio do fluxo de água através dos tubos em um dos lados do VC, simulando um forno cilíndrico vertical comercial com múltiplos queimadores dispostos em círculo dentro de um círculo maior de tubos de fluido de processo.  

O abastecimento de combustível, a vaporização, a tubulação e a medição foram todos adicionados ou modificados para o manuseio de amônia. Para garantir uma operação segura, foi realizada uma análise detalhada de segurança a fim de assegurar a existência de instalações adequadas, o desenvolvimento dos procedimentos operacionais necessários e o treinamento do pessoal operacional para mitigar os riscos associados ao manuseio e à operação com combustível de amônia. Os procedimentos operacionais e o treinamento incluíram a consideração do pessoal presente nas instalações no momento dos testes, das condições ambientais, da velocidade e direção do vento, etc.

A medição de emissões foi outra área que exigiu atenção significativa. Os sistemas tradicionais de medição_{de NOx} que utilizam quimioluminescência podem fornecer resultados enganosos devido a possíveis interações com o vazamento_{de NH₃} presente no sistema. Além disso, era importante medir o vazamento_{de NH₃} e_{o N₂O}para atingir as metas de desenvolvimento do queimador do programa. As emissões_{de NOx} incluem NO e_NO₂, mas não levam em conta_{o N₂O}. Na maioria dos sistemas de combustão com misturas de combustíveis de hidrocarbonetos e hidrogênio, as emissões_{de N₂O}são muito baixas, normalmente inferiores a 5 ppm. No entanto, com um teor muito alto de nitrogênio ligado ao combustível em uma mistura com alto teor de amônia, há um potencial muito maior para emissões significativas_{de N₂O}. Historicamente, as emissões_{de N₂O}não têm sido motivo de preocupação, pois não causam danos respiratórios às pessoas, ao contrário_{do NOx}, que contribui para a formação de ozônio atmosférico. No entanto,_{o N₂O}é um poderoso gás de efeito estufa, por isso é motivo de especial preocupação quando se utiliza a amônia como combustível de baixo carbono para reduzir as emissões_{de CO₂}.  

Para a medição de emissões, foram instalados os seguintes analisadores no forno de teste. Entre eles, destacam-se:

• • • Um sistema de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) para medir NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂, CO
    • Um sistema baseado em laser de diodo sintonizável (TDL) para medir NO,_NH₃ e_H₂O
    • Analisadores do tipo quimioluminescente e paramagnético para_NOx,_NO₂,_O₂ (seco) e CO

O sistema TDL foi instalado na chaminé (Figura 2) em dois pares de conexões de bicos. Os outros dois sistemas de análise utilizavam sistemas independentes de amostragem aquecidos para conduzir a amostra de gás de combustão até os analisadores, no nível do solo.

Figura 2. Analisador TDL na chaminé do forno de teste

Houve alguns desafios e observações decorrentes da queima de altos níveis de amônia, conforme listado a seguir:

• • As altas concentrações de umidade nos gases de combustão representaram desafios para os sistemas FTIR e TDL (interferência de comprimento de onda). Foi necessária uma configuração do analisador que levasse em conta a faixa esperada de concentração de vapor de água nos gases de combustão. No momento da redação deste artigo, a configuração do TDL que permita medições validadas ainda está em desenvolvimento; portanto, todas as medições_{de NH₃} citadas neste artigo são provenientes do analisador FTIR. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • Além disso, a amônia é absorvida pelo isolamento do forno. Em um teste separado, o queimador foi desligado e a porta do forno foi aberta para a atmosfera. No centro do forno, a leitura_{de NH₃} foi zero, mas variou entre 9 e 17 ppm quando medida a 6” do isolamento. Além disso, houve casos em que o aquecedor foi ligado com_H₂ (ou gás natural), mas foi registrado_NH₃ devido à amônia retida no isolamento, mesmo após purga durante a noite (com a porta aberta em tiragem natural). A Figura 3 mostra a tendência do_NH₃ medido pelo analisador FTIR em função do tempo após o desligamento do queimador, quando este estava queimando um combustível com alto teor de amônia (mais de 80% em volume). 
  • Houve alguns casos em que a amônia se condensou na tubulação de combustível e ficou retida na válvula. O líquido não queimava bem no queimador a gás, e foi detectada a presença de_NH₃ na chaminé. 

Figura 3._NH₃ residual medido na chaminé em função do tempo após o desligamento do queimador 

RESULTADOS DOS TESTES INICIAIS DO QUEIMADOR

Nesta fase inicial de desenvolvimento, foram realizados testes com queimadores em uma faixa de níveis de O₂ em excesso, com tiragem de base de aproximadamente 0,3” WC. A temperatura da câmara de combustão foi mantida entre 1.600 e 1.750 °F na maioria dos pontos de teste. Inicialmente, nenhum dos três conceitos de queimador apresentou bom desempenho, com cada um deles produzindo altas concentrações de amônia na chaminé. Cada um passou por modificações para melhorar a estabilidade da chama, reduzir_{as emissões de NOx} e o escape de amônia e aumentar o teor de amônia no combustível. 

A Tabela 2 apresenta um resumo dos resultados dos testes para os três conceitos de queimadores após a otimização. O queimador GB convencional era capaz de queimar até 20% (*) de amônia quando misturada com gás natural e até 60% quando misturada com hidrogênio. No entanto, os níveis_{de NOx} permaneceram elevados. FREE JET GLSF FREE JET apresentou uma melhora significativa, produzindo uma chama estável com 100% de amônia pelas pontas principais, embora o vazamento de amônia tenha se tornado inaceitável quando a proporção de amônia no combustível principal ultrapassou 80%. Ele também apresentou emissões_{de NOx} mais baixas do que o queimador GB. O queimador DT teve desempenho semelhante ao do FREE JET, não oferecendo nenhuma vantagem clara. Com base nessas conclusões, decidiu-se concentrar-se no conceito FREE JET para desenvolvimento posterior.

Tabela 2. Resultados dos testes iniciais com o teor máximo de amônia no combustível 

Observações iniciais do teste: 

Algumas observações importantes dos testes iniciais estão resumidas a seguir:

• • Ao aumentar o teor_{de NH₃} nos bicos principais de combustível para mais de 80% em volume no GLSF FREE JET, o queimador permaneceu estável, mas o comprimento da chama aumentou, resultando em um escape significativo_{de NH₃} (de 200 ppm a >1.000 ppm) na chaminé. As imagens da Figura 4 mostram chamas estáveis com diversos teores de amônia nos bicos de combustível principal, chegando a 100% de amônia, apesar do vazamento muito elevado nessa condição. Um alto escape de amônia pode ser observado tanto com gás natural quanto com gás de suporte de hidrogênio para pontos de teste com_NH₃ nos bicos de combustível principais > 80% em volume, conforme os dados da Figura 5. Abaixo de 80% de amônia nos bicos de combustível principais, a maioria dos pontos de dados variou entre 0 e 5 ppm. 
  • Além de reduzirem_{o NOx} térmico, os ULNBs também reduziram_{o NOx} ligado ao combustível associado à combustão de misturas_{de NH₃}. O queimador convencional GB produziu emissões_{de NOx} de ≈ 2.400 ppm com 60%_{de NH₃} e 40% de hidrogênio. Com o mesmo combustível, o FREE JET GLSF FREE JET produziu emissões_{de NOx} de 200 a 400 ppm. Supõe-se que os gases de combustão arrastados para a chama pelas pontas FREE JET de combustível FREE JET criem regiões nas quais_{o NH₂} reduz o NO gerado em áreas propícias à oxidação_{do NH₃} (alto teor de_O₂ e alta temperatura) a_N₂. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • Os resultados dos testes de injeção escalonada de ar mostraram que, mesmo com pequenas quantidades de injeção escalonada nas seções superiores do forno, as emissões_{de NOx} aumentaram em ≈ 25 ppm. Portanto, a injeção escalonada de ar nas regiões superiores do forno pode não ser um método eficaz de redução_{de NOx}. Além disso, isso demonstrou que, para aquecedores de processo e outras aplicações em que o forno opera sob pressão negativa, o vazamento de ar pode ter um impacto significativo nas emissões_{de NOx} em condições reais de operação. 
  • A medição de amônia durante FREE JET a 3,4 MMBtu/h, com as pontas principais queimando 10% em volume de GN e 90% em volume_{de NH₃}, e com 20% da liberação de calor proveniente do gás natural nas pontas auxiliares, resultou em 1.100 ppm_{de NH₃} a 15’ acima do piso e 5,5 ppm na chaminé. A adição de_NH₃ acima da chama para simular a redução seletiva não catalítica (SNCR) com o objetivo de reduzir_{o NOx} não era uma opção na queima com alto teor de amônia. Em vez disso, o foco foi reduzir a altura da chama. 

Figura 4. Testes iniciais do GLSF FREE JET divisão de combustível na ponta principal 

Figura 5. Comparação das emissões da chaminé do FREE JET GLSF FREE JET para gás natural e hidrogênio utilizados como combustível auxiliar 

DESENVOLVIMENTO E TESTES FREE JET GLSF COM TIRAGEM NATURAL OTIMIZADA

Ao término dos testes iniciais, ficou evidente que o FREE JET aprimorado FREE JET GLSF FREE JET havia se mostrado o mais promissor entre os três conceitos testados. O queimador passou por um desenvolvimento adicional para melhorar o desempenho na queima de amônia. Conforme mencionado anteriormente, os testes iniciais utilizaram 100% de GN ou 100%_{de H₂} nas pontas auxiliares para garantir a estabilidade da chama. Os bicos de combustível principais utilizaram uma mistura de_NH₃ e um combustível de suporte (GN ou_H₂).   

No desenvolvimento e nos testes do queimador aprimorado, tanto os bicos auxiliares quanto os principais foram conectados ao mesmo sistema de abastecimento, resultando na mesma composição para ambos os conjuntos de bicos. Os parâmetros de projeto examinados/aprimorados durante o desenvolvimento inicial foram reavaliados, de modo que a_porcentagem geral_{de NH₃} no queimador pudesse ser aumentada, ao mesmo tempo em que se buscava atingir o desempenho almejado. Verificou-se que manter a chama do bico auxiliar para proporcionar uma ignição robusta do gás combustível principal era um desafio, e várias modificações foram testadas nas mesmas condições da fornalha utilizadas na fase inicial de testes.

Resultados do teste de desempenho otimizado do queimador:

A concentração máxima_{de NH₃} alcançada, mantendo-se dentro dos critérios de desempenho almejados, foi de 70%_{de NH₃} e 30% de gás natural. Embora esse teor geral_{de NH₃} no combustível do queimador fosse semelhante ao dos testes iniciais, a eliminação da necessidade de um suprimento separado de 100% de gás natural ou 100% de hidrogênio para os bicos auxiliares representou uma melhoria substancial no sentido de se obter um queimador adequado para implantação em serviços industriais. Com teor de amônia acima de 70%, o vazamento de amônia aumentou rapidamente. O desempenho otimizado do queimador de tiragem natural com quantidades variáveis de_NH₃ é mostrado nas Figuras 7 e 8 abaixo. 

Figura 6._NOx em função do teor_{de NH₃} no combustível para o FREE JET GLSF FREE JET de tiragem natural otimizado com alimentação única de combustível 

Figura 7. Desvio de_NH₃ em função do teor_{de NH₃} no combustível para FREE JET GLSF FREE JET de tiragem natural otimizado FREE JET alimentação única de combustível 

FREE JET de tiragem natural otimizado, alimentado por um único combustível, demonstrou desempenho robusto em altos níveis de amônia, com níveis razoáveis de emissões_{de NOx} e_NH₃. Esse projeto precisa de aprimoramentos adicionais para permitir níveis mais elevados de amônia e, por fim, alcançar a combustão com 100% de amônia, adequada para aplicação comercial, o que constitui o objetivo final deste trabalho. A seção “Trabalhos Futuros” deste artigo aborda esse assunto com mais detalhes. 

DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS DE MODELAGEM CFD PARA PREVISÃO DO DESEMPENHO DE QUEIMADORES

O uso conjunto de testes de combustão e da dinâmica de fluidos computacional (CFD) é essencial para o desenvolvimento de um queimador para uso industrial. Prever o desempenho do queimador (forma da chama, emissões, interações entre chamas, etc.) em uma aplicação comercial com razoável certeza será necessário para garantir sua adoção pela indústria. Embora as ferramentas de CFD para hidrocarbonetos e combustíveis à base de hidrogênio já estejam bastante maduras atualmente, elas ainda se encontram em um estágio muito inicial de desenvolvimento para a amônia. Embora queimadores individuais possam ser avaliados rapidamente em um forno de teste, o valor da CFD reside em fornecer previsões precisas de desempenho em instalações com múltiplos queimadores, especialmente para aplicações novas ou incomuns. 

Os esforços em CFD concentraram-se na modelagem das emissões de fornos relacionadas a fenômenos críticos, porém difíceis de prever, como o escape_{de NOx} e amônia. O método de modelagem CFD desenvolvido durante este projeto oferece um caminho promissor para aplicações mais desafiadoras, como a combustão de amônia em equipamentos industriais com múltiplos queimadores.

As principais características do modelo são as seguintes:

1. 1.k-Ɛ realizável, RANS em estado estacionário
2. 2. O modelo de interação entre turbulência e química “Eddy Dissipation Concept” (Magnussen & Hjertager¹), com parâmetros ajustados para esta aplicação
3. 3. Um mecanismo cinético químico simplificado baseado no mecanismo CRECK (Stagni et al.2) para misturas de gás natural e amônia e nos mecanismos criados pelo MIT para este projeto (Doner et al.3) para a cinética de H-N-O, nos quais não há presença de hidrocarbonetos

A seguir, apresentamos alguns resultados selecionados da simulação, com comparações com os dados dos testes físicos.

Figura 8. Resultados da CFD para uma liberação de calor de 4 MMBtu/h, com combustível principal na proporção de 75%_{de NH₃/25%} de GN e combustível auxiliar 100% GN 

A Figura 9 mostra resultados típicos de CFD para uma mistura de combustível composta principalmente por amônia e gás natural no FREE JET GLSF FREE JET , com uma liberação de calor de 4 MMBtu/h. Os tubos de resfriamento situados em um dos lados do forno de teste provocam uma circulação descendente de gás rico em oxigênio próximo aos tubos, resultando em uma queima mais rápida do combustível nesse lado da chama e no desvio da chama em direção ao lado mais quente do forno.  

Figura 9. Taxa de reação líquida do NO com o CRECK RM para FREE JET GLSF FREE JET a 4 MMBtu/h, com mistura de 75%_{de NH₃ e 25%} de GN como combustível principal e 100% de GN como combustível auxiliar 

A Figura 9 mostra tanto a formação quanto a destruição do NO em uma chama que queima uma mistura de 75%_{de NH₃} e 25% de gás natural. O modelo incluiu detalhes cinéticos químicos suficientes para prever a formação de NO a partir das vias do combustível e térmicas, bem como a destruição do NO pela amônia por meio de reações de redução não catalítica seletiva (SNCR). O resultado desse modelo é qualitativamente consistente com o entendimento Zeecosobre como funcionam o escalonamento do combustível, o arrastamento de gases de combustão e a mistura retardada de ar e combustível, combinado com o conhecimento atual sobre a oxidação_{do NH₃} e a química da redução do NO. A combinação do atraso na mistura ar-combustível e do arrastamento de gases de combustão com menor teor de O₂ e mais frios para dentro da chama resulta em zonas adjacentes propícias à produção de NO a partir da oxidação_{do NH₃} e à redução do NO por reação com_NH₃ dissociado e radicais OH.

Figura 10. Comparação das medições de desvio de NO e_NH₃ na chaminé para os testes iniciais de combustível_NH₃/H₂ no GLSF FREE JET com as previsões de CFD utilizando dois modelos cinéticos 

A Figura 10 compara as emissões medidas e previstas na chaminé para o NO e o escape de amônia. O modelo CFD que gerou os valores previstos utilizou dois mecanismos diferentes:  

1. 1. Modelo químico simplificado de 50 espécies, baseado no mecanismo detalhado descrito por Stagni et al. 
2. 2. Modelo químico desenvolvido pelo MIT para este projeto (Doner et al.) 

Os dados medidos na Figura 10 são provenientes de testes com o FREE JET GLSF FREE JET , que queima diversas misturas de amônia e hidrogênio nos bicos principais, com 100% de hidrogênio nos bicos auxiliares. O mecanismo MIT apresenta excelentes resultados de NO para misturas_{de NH₃-H₂}, mas superestima o NO para_H₂ puro. A simulação CFD utilizando ambos os mecanismos prevê um deslizamento de amônia na casa de um dígito ou frações de ppm para até 80% de amônia, mas varia significativamente na queima de amônia pura, com o mecanismo CRECK apresentando melhor desempenho quantitativo. 

Figura 11. Comparação do desvio de NO e_NH₃ na chaminé com as previsões de CFD, utilizando dois modelos para FREE JET de tiragem natural otimizado 

A Figura 11 mostra os resultados da CFD para o FREE JET GLSF FREE JET otimizado. Esse queimador foi testado com gás natural a 100% e com misturas de combustível variando de 60 a 75%_{de NH₃} (combustível único tanto para as pontas auxiliares quanto para as principais). Todas as simulações desses testes foram realizadas utilizando o mecanismo reduzido CRECK de 50 espécies, pois o mecanismo MIT disponível durante este trabalho não incluía a química dos hidrocarbonetos. 

O NO é previsto com razoável precisão para este conjunto de dados. O vazamento de amônia também é bem previsto. Para o FREE JET de tiragem natural otimizado, o modelo CFD previu o início do vazamento de amônia com 70%_{de NH₃} no combustível_, enquanto a medição real indicou que o vazamento ocorreu com 75%. A precisão das previsões das concentrações de NO e_NH₃ na chaminé é muito animadora, especialmente considerando que a quantificação da incerteza experimental não foi explorada e que o desenvolvimento do modelo cinético ainda está em andamento.

TRABALHOS FUTUROS

Com base no sucesso inicial dos resultados da combustão de amônia apresentados acima, estão previstos os seguintes trabalhos futuros. 

Desenvolvimento de queimadores:

Projetar e testar um protótipo de queimador de tiragem forçada baseado no FREE JET GLSF FREE JET , com as seguintes características:

• • Capaz de funcionar com amônia a 100% e com um combustível de reserva que pode ser gás natural ou hidrogênio 
  • Abastecimento de gás de combustível único
  • Emissões de_NOx inferiores a 200 ppm (idealmente abaixo de 100 ppm) e fuga de_NH₃ inferior a 50 ppm (de preferência abaixo de 10 ppm)

Desenvolvimento de ferramentas de CFD:

Os futuros trabalhos em CFD darão continuidade à implementação de cinéticas reduzidas e detalhadas. Os grupos de pesquisa do MIT e de Stanford continuarão contribuindo com seus conhecimentos para o avanço desses objetivos. 

CONCLUSÕES 

O desenvolvimento inicial do queimador demonstrou que um ULNB de tiragem natural é capaz de queimar com sucesso 70%_{de NH₃} em gás natural e atingir um desempenho em termos_{de NOx} semelhante, nesse nível de concentração de amônia, ao dos queimadores convencionais de gás bruto que utilizam gases combustíveis convencionais. O trabalho também demonstrou que os queimadores de combustível em estágios apresentam desempenho significativamente superior ao dos queimadores convencionais na queima de amônia.  

A combinação de submodelos selecionados para desenvolver uma capacidade de simulação CFD da combustão de amônia fornece previsões aceitáveis de NO e de escape de amônia para aplicações industriais, tendo sido comprovada em diferentes configurações de queimadores e misturas de amônia com hidrogênio e gás natural. Entre os mecanismos químicos testados, o mecanismo CRECK reduzido modelou com eficácia tanto a combustão da amônia quanto a dos hidrocarbonetos, apresentando concordância razoável com as tendências experimentais, embora essa continue sendo uma área que requer aprimoramento adicional. 

Olhando para o futuro, espera-se que o desenvolvimento contínuo de queimadores, em estreita integração com modelagem CFD avançada, permita a combustão segura de amônia com emissões de NOx ainda mais baixas. O desenvolvimento de um queimador de tiragem forçada ampliará ainda mais essas capacidades. 

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