Desenvolvimento de queimadores industriais de amônia: testes de combustão, modelagem e caminho até a prontidão do protótipo

RESUMO 

O uso da amônia como combustível para aquecimento industrial e geração de vapor está sendo considerado pelo setor como uma opção potencial para reduzir as emissões industriais de gases de efeito estufa, especialmente em regiões (por exemplo, Japão, Coreia) sem gás natural local e/ou espaço poroso identificado para_{o sequestro de CO₂} . A amônia é uma opção potencialmente atraente como solução de combustível de baixo carbono devido a: i) sua densidade energética, que pode resultar em maior transportabilidade em comparação com o hidrogênio; ii) a existência de protocolos, normas e infraestrutura que podem facilitar o transporte de amônia; e iii) a capacidade de, potencialmente, evitar instalações adicionais e o consumo de energia associados à conversão do meio transportador (amônia/hidrocarboneto) em combustível (hidrogênio).

Devido à sua velocidade de chama laminar relativamente baixa, à sensibilidade à variação de velocidade, à estreita faixa de inflamabilidade e à propensão a formar altas concentrações de óxidos de nitrogênio (NOx), a amônia apresenta desafios como combustível quando comparada aos hidrocarbonetos gasosos e aos combustíveis à base de hidrogênio. Este artigo descreverá o desenvolvimento adicional dos projetos de queimadores e da capacidade associada de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), testados e apresentados no Simpósio de Combustão Industrial da AFRC de 2025. Como resultado desses desenvolvimentos e trabalhos adicionais, será apresentado um projeto exclusivo de queimador baseado na plataforma GLSF FREE JET d Zeeco, especificamente para uso em aplicações industriais de aquecimento e geração de vapor com tiragem forçada. Também serão descritas melhorias nas ferramentas de modelagem e nos métodos analíticos que permitem a previsão do desempenho de queimadores de amônia em aplicações comerciais.

O trabalho de desenvolvimento descrito neste artigo faz parte de um programa mais amplo de combustão de amônia patrocinado pela ExxonMobil, que inclui pesquisas básicas realizadas pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e pela Universidade de Stanford, com o objetivo de aprofundar a compreensão da combustão de amônia para permitir o aprimoramento do desempenho de um queimador de amônia para aplicações comerciais.

Este artigo incluirá dados de testes realizados com o queimador GLSF FREE JET modificado pela Zeecoem operação com tiragem forçada, com e sem ar pré-aquecido, utilizando diferentes misturas de amônia e hidrogênio ou gás natural em condições operacionais variáveis, demonstrando o avanço no desenvolvimento de um queimador capaz de proporcionar uma chama estável com emissões de NOx e amônia que atendam às metas de desempenho. Também incluirá análises de CFD (dinâmica de fluidos computacional) de apoio e uma discussão sobre como a CFD pode ser utilizada para ajudar a prever o desempenho da combustão. Este artigo reforçará que tanto os testes de combustão quanto a CFD são essenciais para o desenvolvimento de novas tecnologias e para prever o desempenho em aplicações comerciais com razoável certeza.

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INTRODUÇÃO

O interesse pela combustão de amônia como forma de reduzir as emissões de CO₂ está aumentando, especialmente em regiões que carecem de recursos de gás natural ou de opções de sequestro de CO₂. A amônia oferece alta densidade energética, baixa intensidade de carbono e uma infraestrutura global já estabelecida, o que a torna mais prática para armazenamento e transporte do que o hidrogênio. Além disso, a combustão direta da amônia permite evitar o consumo de energia e o uso de equipamentos necessários para sua craqueamento em hidrogênio.

A adoção precoce já está em andamento nas usinas termelétricas a carvão da Ásia, onde a amônia está sendo testada como combustível de co-combustão para ajudar a reduzir as emissões de CO₂. No entanto, esses sistemas ainda dependem da Redução Catalítica Seletiva (SCR) para ajudar a tratar os NOx de origem térmica e do combustível produzidos durante a combustão da amônia.

This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NO_x emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.

DESENVOLVIMENTO DE QUEIMADORES, PLANO DE TESTES E INSTALAÇÕES DE TESTE

Plano de Desenvolvimento e Testes:

Os conceitos de queimadores FREE JET® daZEECO foram selecionados como base para o desenvolvimento de um queimador comercial de tiragem forçada a amônia. Os testes iniciais e a otimização da configuração foram realizados em queimadores de tiragem forçada modificados da FREE JET , com capacidade nominal de 4 MMBtu/h, no Centro Global de Tecnologia d Zeeco, próximo a Tulsa, em Oklahoma. 

O desenvolvimento de modelos de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) também é um elemento central do programa. Embora a modelagem da combustão de hidrocarbonetos e hidrogênio já esteja bem estabelecida, a cinética da amônia e as interações entre turbulência e química ainda se encontram em um estágio inicial de desenvolvimento. O trabalho em CFD concentra-se no aprimoramento dos mecanismos de reação e dos modelos de turbulência para representar com maior precisão a combustão da amônia. O objetivo é desenvolver ferramentas de CFD confiáveis que possam apoiar o projeto de queimadores e ajudar a prever o desempenho em aplicações comerciais.

Figura 1: Queimador GLSF padrão de tiragem forçada FREE JET .

A Figura 1 mostra o queimador padrão GLSF FREE JET . O queimador testado foi modificado para queima de amônia. Todas as pontas de gás, incluindo as auxiliares, queimavam o mesmo combustível. O piloto único queimava gás natural com uma liberação de calor de 90.000 Btu/h. O queimador GLSF FREE JET foi projetado para ser simples de operar, suporta transições de combustível de 100% de amônia para 100% de hidrogênio e para 100% de gás natural, bem como quaisquer misturas entre elas, mantendo uma chama estável. Esses queimadores são projetados para operar por um período de 10 a 20 anos, oferecendo a simplicidade e a estabilidade exigidas pelos usuários.

Instalações de teste: 

Um forno de teste cilíndrico vertical (VC) de queimador único já existente no Centro Global de Tecnologia d Zeeco

foi selecionado e adaptado para funcionar com amônia. O forno, dimensionado adequadamente para o 4

O queimador de MMBtu/h em avaliação inclui uma caixa radiante com aproximadamente 17,33 pés de altura e uma

distância entre o tubo e a parede de 5,83 pés. Um único queimador está instalado no centro do fundo do forno, e

A temperatura da câmara de combustão é regulada por meio de tubos resfriados a água dispostos ao longo de um dos lados do VC, reproduzindo o

características de absorção de calor de um aquecedor cilíndrico vertical comercial com vários queimadores

dispostos dentro de um anel de tubos de processo. A Tabela 1 apresenta detalhes adicionais sobre o forno de teste utilizado

neste trabalho.

Tabela 1: Informações sobre o forno de teste

Foram adicionados ou modernizados sistemas específicos para amônia, incluindo abastecimento de combustível, vaporização, tubulação e medição, a fim de garantir uma operação segura e confiável. Uma análise abrangente de segurança confirmou que as medidas de proteção da instalação, os procedimentos operacionais e o treinamento do pessoal eram adequados para gerenciar os riscos associados ao manuseio e à combustão da amônia. Os protocolos operacionais incorporaram considerações como a localização do pessoal, as condições ambientais, a velocidade e a direção do vento e outros fatores necessários para garantir a execução segura dos testes.

A medição precisa das emissões exigiu atenção adicional significativa. Os analisadores tradicionais de NOx baseados em quimioluminescência podem produzir resultados enganosos quando há vazamento de NH₃, devido a interferências químicas no interior do analisador. Também foi necessário quantificar o vazamento de NH₃ e as emissões de N₂O para atender aos objetivos de desenvolvimento de queimadores do programa. Embora as medições de NOx normalmente incluam apenas NO e NO₂, elas não levam em conta o N₂O, que geralmente é insignificante — frequentemente abaixo de 5 ppm — em sistemas que queimam combustíveis de hidrocarbonetos ou hidrogênio.

No entanto, a amônia contém uma alta proporção de nitrogênio ligado ao combustível, o que cria um potencial para a formação elevada de N₂O. Historicamente, o NO e o NO₂ eram o foco principal no que diz respeito à formação do ozônio atmosférico. Contudo, o N₂O é um gás de efeito estufa, o que torna sua medição e controle importantes quando a amônia é utilizada como combustível com menor emissão de gases de efeito estufa.

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 e 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

Metodologia CFD

O fluxo de trabalho de modelagem CFD aproveitou o trabalho desenvolvido no 1º ano deste programa, cujo foco principal foram os queimadores de tiragem natural¹. Como as caldeiras parecem ser a principal oportunidade de mercado no curto prazo para o desenvolvimento de queimadores de amônia, nosso foco mudou para os queimadores de tiragem forçada no 2º ano. Os queimadores de tiragem forçada utilizam um ventilador de ar de combustão e, portanto, requerem energia elétrica, dutos, controles e equipamentos relacionados. Eles operam com uma queda de pressão mais elevada, normalmente cerca de 1 a 10 polegadas de H₂O ou mais, mas, em contrapartida, podem proporcionar melhor mistura, estágios de combustão e estabilidade da chama para permitir menores emissões de NOx em comparação com os queimadores de tiragem natural. Os queimadores de tiragem forçada são comuns em caldeiras e equipamentos de queima que exigem alta liberação de calor, flexibilidade na taxa de queima, emissões muito baixas, maior faixa de regulação e controles mais precisos de ar/combustível.

A metodologia de CFD desenvolvida para este projeto foi concebida para atender aos seguintes objetivos:

1. 1.) Utilizar os recursos de geometria e malha de um código comercial para modelar as geometrias reais do queimador e do forno,

2. 2.) Utilizar mecanismos cinéticos químicos detalhados, pelo menos na forma reduzida,

3. 3.) Ser capaz de alterar modelos cinéticos de forma rápida e fácil,

4. 4.) Considerar a possibilidade de mais de duas correntes independentes de combustível e oxidante que reagem entre si,

5. 5.) Modelar os efeitos da radiação térmica dos meios participantes,

6. 6.) Ser capaz de modelar os efeitos cinéticos químicos decorrentes de alterações no queimador e no forno,

7. 7.) Realize uma simulação de teste do forno com um único queimador em cerca de um dia.

No início deste projeto, não existia na Zeeco uma capacidade de CFD que atendesse a esses requisitos, nem — com base em uma análise da literatura disponível — em qualquer outro lugar do setor de queimadores. Os modelos de combustão comumente utilizados na indústria, como os de equilíbrio químico, de fragmentação de vórtices (EBU) e os baseados em flamelets, não atenderiam, sem um desenvolvimento adicional, aos requisitos deste projeto. Os códigos de pesquisa universitários utilizam química sofisticada juntamente com modelos de Simulação de Grandes Turbulências (LES), mas não são projetados para capturar geometrias detalhadas de queimadores e fornos, especialmente com projetos de queimadores em rápida evolução. Embora os modelos LES sejam importantes para compreender os mecanismos por trás das características da combustão, como estabilidade da chama ou sopro, eles são computacionalmente onerosos e não alcançariam a velocidade de processamento necessária para a validação do modelo e para fornecer informações para o projeto e os testes do queimador.

Validação da metodologia CFD para sistemas de queimadores com tiragem forçada

Um exemplo de efeitos cinéticos que não são capturados por modelos mais simples é mostrado na Figura 2._{A química da redução} térmica_{de NO (DeNOx)} — também conhecida como requeima de amônia ou Redução Seletiva Não Catalítica (SNCR) — é claramente visível à medida que o NO reage com_{o NH₃} para formar_N₂. O volume azul indica a destruição do NO no lado rico em combustível da chama, enquanto o volume amarelo indica a produção de NO no lado pobre em combustível. A redução de NO mostrada na zona azul é característica da combustão de amônia e não ocorre na combustão apenas de hidrocarbonetos. Esse_{comportamento de DeNOx} , capturado em sua extensão total, é muito sensível às características geométricas do queimador subjacente. Para diferentes configurações de queimador, ele pode não ser tão proeminente.

Figura 2: Isosuperfícies da taxa de formação de NO = 0,05^kg/m³·s (amarelo) e da taxa de destruição de NO = 0,05^kg/m³·s ( azul).

A Figura 3 mostra uma superfície de chama visível simulada, aproximada por uma isosuperfície com temperatura de 1.300 K, juntamente com o fluxo radiativo para os tubos de resfriamento, conforme calculado pelo método de Ordenadas Discretas/Soma Ponderada de Gases Cinzentos (DO/WSGG). O método DO/WSGG, um dos pilares das simulações de combustão industrial, é totalmente compatível com a metodologia atual.

Figura 3: Isosuperfície de T = 1300 K e fluxo de calor radiativo calculado no tubo.

Embora os projetos de queimadores únicos possam ser avaliados experimentalmente, a CFD oferece informações adicionais sobre a estrutura do fluxo, a mistura e as vias de reação localizadas que são difíceis ou impossíveis de medir. Neste segundo ano, a CFD foi utilizada tanto como ferramenta preditiva quanto diagnóstica para interpretar as observações experimentais. Este trabalho estabelece uma linha de base validada para aplicações futuras, incluindo arranjos de queimadores mais complexos, fornos com múltiplos queimadores e cenários de flexibilidade ampliada de combustíveis envolvendo amônia, hidrogênio e outros combustíveis.

A Figura 4 mostra uma análise das vias de reação dentro de uma única célula de CFD localizada na zona de reação. Observa-se que as complexas vias químicas que levam ao consumo de amônia e tanto à produção quanto à destruição de NO estão ativas. Isso demonstra o nível de detalhe cinético químico incluído nessas simulações.

Figura 4: Análise da via cinética química de uma única célula CFD na zona de reação.

A Figura 5 mostra os resultados para o queimador Rev 18. Ambos os modelos utilizam o mecanismo reduzido baseado no^mecanismo detalhado CRECK^². Esse mecanismo reduzido foi expandido a partir do modelo de 50 espécies utilizado nos trabalhos do Ano 1, a fim de melhorar a previsão de poluentes importantes, como_{o NO₂} e_{o N₂O}. O modelo CFD apresenta boas previsões de NO e tem um desempenho razoável na previsão do início da formação de NH₃ à medida que a fração de amônia no combustível é aumentada em uma configuração de tiragem forçada, conforme mostrado na Figura 5. As previsões para_N₂Oe_NO₂ são elevadas no modelo CFD, mas as tendências são previstas com muita precisão.

Figura 5: Resultados da CFD comparados às medições por FTIR em um queimador de tiragem forçada alimentado com amônia misturada a gás natural.

Os resultados dessa validação da CFD demonstraram que a CFD é capaz de capturar tanto a turbulência quanto as interações cinéticas químicas com precisão suficiente para ser utilizada como ferramenta preditiva para orientar o desenvolvimento de queimadores.

Após concluir o desenvolvimento e a validação da metodologia CFD para modelagem de queimadores tanto de tiragem natural quanto de tiragem forçada, foram realizados estudos de CFD para explorar os possíveis benefícios em termos de emissões e estabilidade da chama decorrentes de uma variedade de condições operacionais e modificações na geometria dos queimadores. Com base no potencial de redução de emissões e de deslizamento demonstrado nas simulações de CFD, foram testadas várias modificações nos queimadores e otimizações das condições operacionais, nomeadamente o aumento da temperatura do pré-aquecimento do ar (APH). Os resultados selecionados são apresentados na seção seguinte.

RESULTADOS DOS TESTES DOS QUEIMADORES

A Tabela 2 resume as medições de emissões coletadas ao longo do programa de desenvolvimento do queimador. Para cada revisão do teste, os principais parâmetros operacionais — incluindo taxa de liberação de calor,temperatura do ar de combustão e porcentagem máxima de queima de amônia—são listados juntamente com os dados brutos de emissões para fuga deNH₃, NO eN₂O. Todas as concentrações listadas na Tabela 2 foram medidas utilizando instrumentação FTIR. 

Tabela 2: Resumo das medições de emissões.

Como a combustão com amônia apresenta desafios específicos de medição, os valores de escape de NH₃ representam a concentração máxima de amônia que pode ser alcançada, mantendo o escape abaixo de 50 ppmv. Os valores de NO e N₂O são relatados como concentrações brutas e secas. O conjunto de dados abrange uma ampla gama de condições operacionais, incluindo variações na liberação de calor (3,4–5,0 MMBtu/h), combustão‑(70–880°F) e a porcentagem de queima de amônia (60–95%), permitindo a avaliação do desempenho do queimador em toda a faixa de projeto.

Melhores resultados dos testes

A Figura 6 ilustra as medições de emissões do queimador Rev 25B, que apresentou os melhores resultados. 

Figura 6: Medições de emissões para a Rev 25B, que apresentou os melhores resultados.

Resultados e Discussão

Foi realizada uma série de medições por FTIR com liberação de calor constante de 3,40 MMBtu/h, variando a composição do combustível de 100% de hidrogênio a 100% de amônia. O objetivo dessa sequência de testes foi caracterizar como aumentos incrementais no teor de amônia influenciam o comportamento das emissões — especificamente o escape de NH₃, a formação de NO e de N₂O — sob condições operacionais, de resto, fixas. Os resultados mostram tendências claras e sistemáticas que refletem a química de combustão subjacente das misturas de hidrogênio e amônia.

Vazamento de amônia

O deslizamento de NH₃ permaneceu insignificante em todas as misturas até que a amônia se tornasse o componente dominante do combustível. Para misturas de até 95% de NH₃, os valores de fuga foram extremamente baixos (0–9 ppm), indicando uma queima eficaz e forte mistura nessas condições. No entanto, com 100% de amônia, a fuga aumentou acentuadamente para 1.207 ppm, demonstrando o desafio de se alcançar a conversão completa quando não há hidrogênio presente para aumentar a velocidade da chama e a cinética da reação. Esse comportamento ressalta o papel estabilizador da adição de hidrogênio na combustão da amônia. O nível mais alto de emissões_{de NH₃} foi de 9 ppmv, com menos de 50 ppmv de escape_{de NH₃} em uma mistura de combustível de teste composta por 95%_{de NH₃} e 5%_{de H₂}. Testes com 96%_{de NH₃} e 4%_{de H₂}, 97%_{de NH₃} e 3%_{de H₂} e 98%_{de NH₃} e 2%_{de H₂} teriam ajudado a gerar uma curva para determinar o ponto em que o NH₃ efetivamente ultrapassou o nível de 50 ppmv.

SEM emissões

As emissões de NO apresentaram forte dependência da concentração de amônia. Com 100% de hidrogênio, o NO foi medido em 107 ppm, refletindo a combustão térmica típica‑NO em uma chama de hidrogênio. À medida que o teor de amônia aumentava, o NO subia significativamente, atingindo um pico de 644 ppm para a mistura com 60% de NH₃ . Esse aumento corresponde à introdução de combustível‑ligado ao combustível, que é prontamente oxidado a NO sob altas‑temperatura.

Curiosamente, os níveis de NO diminuíram com frações mais elevadas de amônia, caindo para 197 ppm com 90% de NH₃ e para 96 ppm com 100% de NH₃. Essa redução sugere que, à medida que a amônia se torna o combustível dominante, as temperaturas mais baixas da chama e a cinética mais lenta suprimem a formação de NO, apesar do alto teor de nitrogênio. O resultado é um não-monotônica do NO: aumentando com o NH₃ , e depois caindo à medida que a chama faz a transição para a amônia‑.

O melhor valor de emissões de NO de 143 ppmv, em que o desvio_{de NH₃} foi inferior a 50 ppmv, foi observado na mistura de 95%_{de NH₃} e 5%_{de H₂}.

Formação de N₂O

As emissões de N₂O permaneceram próximas de zero para misturas com até 60% de NH₃, o que é consistente com a rápida decomposição do N₂O em altas temperaturas da chama. À medida que a concentração de amônia aumentou ainda mais, o N₂O começou a subir, atingindo 10–18 ppm para as misturas com 90–95% de NH₃ e 38 ppm com 100% de NH₃. Essa tendência reflete a mudança para uma combustão mais fria e mais lenta‑, nas quais o nitrogênio intermediário‑, como o N₂O, são mais estáveis. O nível mais alto de N₂O foi de 18 ppmv, com menos de 50 ppmv de escape_{de NH₃}, composto por 95%_{de NH₃} e 5%_{de H₂}.

O comportamento combinado do NO e do N₂O ilustra o clássico compromisso na combustão da amônia:

• Mais quente, hidrogênio‑chamas ricas em hidrogênio → alto teor de NO, N insignificante₂O

• Resfriador, amônia‑chamas ricas em amônia → menos NO, mais N₂O

Interpretação geral

O combustível‑variação da mistura de combustível demonstra a complexa interação entre a temperatura da chama, a cinética de reação e o nitrogênio‑nas vias de conversão do nitrogênio–amônia:

• Hidrogênio‑ricas em hidrogênio produzem altas temperaturas de chama, resultando em altos níveis de NO e níveis insignificantes de N₂O insignificante e a queima completa da amônia.

• As misturas intermediárias (40–60% de NH₃) apresentam as maiores emissões de NO, decorrentes tanto de fatores térmicos quanto do combustível‑ligado ao combustível.

• Amônia‑misturas ricas em amônia reduzem a formação de NO, mas aumentam o N₂O e NH₃ devido às temperaturas mais baixas da chama e à cinética mais lenta.

• PuA amônia em excesso representa o maior desafio, com alto deslizamento e níveis elevados de N₂O, apesar do NO.

Esses resultados destacam a importância do combustível‑mistura de combustível, do projeto do queimador e da temperatura‑para equilibrar as emissões de NO, N₂O e NH₃ durante a transição do hidrogênio‑para o de amônia‑dominante.

Figura 7: Caldeira “ FREE JET ” com potência de 3,4 MM Btu/h e APH a 885 °F, operando com 100% de amônia.

Figura 8: Caldeira “ FREE JET ” com potência de 3,4 MM Btu/h e temperatura de saída do gás de combustão (APH) de 885 °F, operando com mistura de 95% de amônia e 5% de hidrogênio.

Efeitos do pré-aquecimento do ar

A Figura 9 ilustra as faixas de emissões para diferentes temperaturas do APH com a Rev 25A e B:

Figura 9: Faixas de emissões com diferentes temperaturas do APH nas versões Rev 25A e B.

Resultados e Discussão

Os testes de emissões foram realizados com uma liberação constante de calor de 3,4 MMBtu/h, utilizando uma mistura de combustível composta por 90% de amônia e 10% de hidrogênio, enquanto se variava a temperatura do APH de aproximadamente 500°F a 885°F. As medições por FTIR coletadas durante as revisões 25A e 25B revelam relações claras e consistentes entre a temperatura do APH e a formação de NH₃ slip, NO e N₂O.

Comportamento de deslizamento da amônia

O deslizamento de NH₃ apresentou uma forte dependência inversa em relação à temperatura do APH. Na temperatura mais baixa testada (508 °F), o deslizamento de NH₃ foi extremamente alto (mais de 7.000 ppm), indicando conversão incompleta do combustível em condições de combustão mais frias. À medida que a temperatura do APH aumentava, o desvio diminuía acentuadamente, caindo para 23 ppm a 784 °F e atingindo 1 ppm a 885 °F. Essa tendência reflete a melhoria na cinética de reação e a maior queima da amônia não reagida em temperaturas elevadas. Os resultados demonstram que manter uma temperatura de combustão suficientemente alta‑é essencial para minimizar o escape de amônia em altas‑NH₃ .

SEM emissões

As emissões de NO aumentaram de forma constante com o aumento da temperatura do APH, em consonância com a temperatura‑conversão do combustível‑ligado ao combustível. A 508°F, o NO foi medido em 34 ppm, aumentando para 99 ppm a 784°F e atingindo 197 ppm a 885°F. Esse aumento monotônico indica que o ar mais quente‑promovem uma oxidação mais completa do amoníaco‑espécies de nitrogênio derivadas da amônia, levando ao aumento da formação de NO. A tendência está alinhada com os dados estabelecidos sobre a amônia‑, em que as variáveis térmicas e de combustível‑se intensificam com o aumento da temperatura.

Formação de N₂O

As emissões de N₂O atingiram o pico esperado‑e‑de declínio, característico da combustão de amônia. Na temperatura mais baixa do APH (508°F), o N₂O estava relativamente alto, em 96 ppm, refletindo a formação de compostos intermediários de nitrogênio‑em condições mais frias. À medida que a temperatura aumentava, o N₂O diminuíram significativamente, caindo para 32 ppm a 784°F e 10 ppm a 885°F. Esse comportamento é consistente com a decomposição térmica do N₂O em temperaturas mais elevadas, nas quais as vias de reação se deslocam para a formação de NO.

Emissões de NO₂

As concentrações de NO₂ permaneceram próximas de zero em todos os pontos de teste, indicando que quase todo o nitrogênio oxidado estava presente na forma de NO ou N₂O. Isso é típico para altas‑temperatura, combustível‑em que o NO₂ é cineticamente suprimida.

Tendências gerais de desempenho

Os resultados combinados ilustram os efeitos contraditórios da temperatura na combustão da amônia:

• Uma temperatura baixa do APH resulta em alto deslizamento de NH₃, baixo NO e N₂O elevado.

• IAs temperaturas intermediárias reduzem o deslizamento e o N₂O, ao mesmo tempo em que aumentam o NO.

• HAsAs altas temperaturas minimizam o deslizamento e o N₂O, mas produzem os níveis mais elevados de NO.

Temperaturas mais altas do APH levam a:

• Maior formação de NO.

• NH reduzido₃ .

• RN₂O.

Essas descobertas destacam a importância de otimizar o projeto do queimador e as condições operacionais para equilibrar a queima completa da amônia, a formação de NO e a mitigação do N₂O. Os dados fornecem uma base sólida para o aprimoramento de estratégias, conceitos de estágios e temperatura‑para atender aos objetivos do programa’.

CONCLUSÃO

O programa de desenvolvimento e testes demonstrou que a amônia pode ser utilizada com sucesso como combustível capaz de reduzir as emissões de CO₂ em aplicações de aquecimento industrial quando combinada com um queimador projetado especificamente para suas características únicas de combustão. Por meio de melhorias iterativas no projeto, testes extensivos e avanços na modelagem CFD, o queimador GLSF FREE JET modificado alcançou operação estável em uma ampla gama de misturas de amônia e hidrogênio e condições de pré-aquecimento do ar. Os resultados dos testes mostram que, com um projeto adequado do queimador e gerenciamento de temperatura, os parâmetros de desempenho almejados pelo programa podem ser atingidos para as emissões de NH₃ residual, _NOx e N₂O em condições otimizadas.

O trabalho combinado de experimentos e modelagem confirma que tanto os testes físicos quanto a CFD são ferramentas essenciais para prever o desempenho da combustão de amônia. O aprimoramento contínuo da geometria do queimador, do estágio de combustível e das estratégias operacionais pode ajudar a apoiar a transição do protótipo para um queimador a amônia pronto para o mercado, abrindo caminho para reduções significativas nas emissões industriais de CO₂.

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