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Edital nº 03 de 11/02 de 2008

PLANO DE TRABALHO DO BOLSISTA/ESTAGIÁRIO
Modelagem Matemática de Processos de Combustão de Combustíveis Sólidos: Carvão Mineral 

Orientador
Cristiano Vitorino da Silva

Erechim, março de 2008.

1.	
1.	Introdução
Em muitas partes do mundo o carvão mineral é uma importante fonte de energia, principalmente na produção de eletricidade. É sabido que as reservas prováveis de carvão mineral, a nível mundial, já superam as reservas de gás natural e petróleo, de forma que o carvão ainda será utilizado por muito tempo. Um caso mais próximo de nossa realidade é a presença da maior bacia de carvão mineral do Brasil, sendo esta localizada sob o solo da região sul, basicamente sob o Rio Grande do Sul. Entretanto, a eficiência de queima e a utilização limpa desse combustível são os principais problemas nos processos de combustão. Nos últimos anos, o interesse sobre o desempenho da otimização de grandes centrais termelétricas tem se tornado cada vez mais relevante, apontando para uma extensão da vida útil destes equipamentos, aumento na eficiência térmica e redução na emissão de poluentes, particularmente a emissão de NOx. A melhora na eficiência de queima do carvão nessas grandes centrais também significa a diminuição na emissão de dióxido e de monóxido de carbono em nossa atmosfera, atenuando também o efeito estufa, e por sua vez, freando a aquecimento global.
As reservas de carvão do Brasil, as quais são usadas basicamente para a produção de eletricidade em grandes geradores de vapor acoplados a ciclos térmicos de geração de energia elétrica, são consideradas suficientes para abastecimento destes equipamentos nos próximos 200 anos. Além disso, no sentido de comparação com fontes de energia como o Gás Natural e a Energia Nuclear, estudos na área de melhoramento da eficiência dos processos de combustão de carvão podem representar, no futuro, um fator limitante quanto ao uso deste energético, que pode ser abolido da matriz energética mundial pelo fato de ser considerado atualmente um combustível altamente poluente. Novos processos de manufatura deste combustível, tais como a gaseificação e a “gigagem”, ou lavagem, do carvão podem ser uma alternativa para o uso mais limpo deste energético. Entretanto, os processos deste tipo ainda são considerados muito caros e só são utilizados em casos mais extremos de poluição. A chamada “gigagem” do carvão também pode ajudar na diminuição na emissão de particulados e de óxidos de enxofre na atmosfera (NOx). Em fim, alternativas devem ser buscadas para o melhoramento da eficiência de utilização do carvão, e o melhor entendimento do processo deve ser buscado.
A operação eficiente de câmaras de combustão de geradores de vapor depende basicamente das reações de oxidação e da transferência de calor entre os produtos da combustão e as superfícies do gerador de vapor, as quais requerem uma análise detalhada dos mecanismos governantes do processo. Um número significativo de metodologias de modelagens dos processos de combustão de carvão são atualmente avaliados na literatura, mas alguns poucos são capazes de computar inteiramente os principais fenômenos físico-químicos envolvidos.
No sentido de avaliar o escoamento e a transferência de calor no interior de câmaras de combustão de geradores de vapor, e ainda para a otimização de projetos desses equipamentos, a modelagem matemática dos fenômenos envolvidos é de extrema importância para utilização em ferramentas de simulação numérica, sendo uma boa alternativa para o melhor entendimento do processo. Como já mencionado acima, poucas modelagens são capazes de representar verdadeiramente os fenômenos envolvidos e uma metodologia de modelagem mais realista ou coerente é de grande importância para o desenvolvimento de ferramentas numéricas mais eficientes.
2.	Objetivos
Os objetivos principais a serem alcançados com este trabalho são a obtenção e a compilação de modelagens mais consistentes dos processos de combustão de combustíveis sólidos (tais como o carvão mineral) no interior de fornalhas e também a formação de recursos humanos na área de modelagem de processos de combustão, para que no futuro possam contribuir em pesquisas no tema.
3.	Base Teórica
A simulação numérica dos processos de combustão é uma importante ferramenta para o estudo e o dimensionamento de sistemas térmicos de geração de energia, seja ela térmica, mecânica ou elétrica, ou ainda uma combinação delas (co-geração), pois é capaz de fornecer, a um custo relativamente baixo, importantes informações sobre o que está ocorrendo no processo e ajudar no dimensionamento e na otimização de sistemas e máquinas térmicas. Para tal é necessária a obtenção de modelagens capazes de representar da forma mais realista possível os fenômenos envolvidos nos processos de combustão tais como a turbulência, as reações químicas e a influência da turbulência sobre essas reações, a transferência de calor por radiação e a convecção térmica, as características do escoamento dos reagentes e dos produtos da combustão e o arraste de partículas, além da geração de poluentes, uma das maiores preocupações de nossa época.
A utilização de combustíveis sólidos tais como o carvão mineral na nossa matriz energética tem aumentado significativamente nos últimos anos, principalmente com a ampliação de antigas centrais termelétricas e a criação de outras novas. Entretanto, as tecnologias utilizadas na construção desses equipamentos precisam ser importadas, pois, no Brasil, o estudo dos processos de combustão ainda é muito recente e, embora tenha evoluído muito nos últimos anos, ainda tem muito a percorrer. Logo, a formação de recursos humanos nessa área é de extrema importância para o desenvolvimento do nosso país.
No desenvolvimento desse trabalho o aluno irá iniciar seus estudos na área de processos de combustão, analisando desde as metodologias mais simples dos processos de combustão de combustíveis sólidos, resolvidos analiticamente, até as formulações mais aprofundadas, envolvendo as equações diferenciais de conservação de massa, de energia, de quantidade de movimento, de turbulência e de sua dissipação, o escoamento bifásico, a dispersão e o arraste de partículas, além da conservação de espécies químicas e as reações químicas envolvidas no processo. A radiação térmica em meio participante também será abordada.
4.	Metodologia
Os estudos a serem realizados serão feitos de forma teórica, baseados basicamente em revisão bibliográfica na área de combustão de combustíveis sólidos, concentrando-se no carvão mineral.
Numa primeira etapa será necessário que o aluno adquira o conhecimento básico para estudo dos processos de combustão envolvendo apenas as reações químicas, considerando a conservação de massa e a conversão de espécies químicas.
Feito isso o aluno deverá iniciar seus estudos na área de modelagem dos processos de combustão, identificando o equacionamento necessário para a representação dos fenômenos envolvidos. Isso será feito pela leitura em bibliografia básica, tais como periódicos e livros técnicos e científicos consolidados, tanto em língua inglesa como em língua portuguesa, para que o mesmo possa adquirir conhecimentos teóricos e matemáticos sobre o tema. Este estudo será direcionado para que o aluno construa uma boa base científica em processos de combustão e o seu desenvolvimento seja bastante consolidado em teorias fundamentais.
Depois de adquirir o conhecimento básico sobre o tema o aluno terá de realizar uma grande revisão bibliográfica a fim de identificar na literatura os principais modelos apresentados para a representação dos processos de combustão de carão mineral em geradores de vapor, apontando as limitações e vantagens da utilização de cada um deles, como função do tipo de utilização e a qualidade dos resultados obtidos.
Ao final do trabalho o aluno terá de apresentar um relatório compilando os principais modelos e modelagens apresentadas na literatura a fim de montar um banco de dados sobre modelagens de combustão de combustíveis sólidos (carvão mineral), que, na seqüência desse projeto, possa ser utilizado no desenvolvimento de softwares e estudos computacionais de simulação numérica de processos de combustão.
5.	Cronograma de trabalho
A revisão bibliográfica envolve todas as etapas do projeto, tanto em bibliografia básica quanto em manuais de softwares, de forma que o aluno sempre estará fazendo algum tipo de estudo ou compilação de dados a partir de revisões em livros especializados e artigos científicos na área de processos de combustão.
No primeiro e segundo trimestres o aluno começa seus estudos (a fim de obter alguma base inicial) sobre modelagens simplificadas dos processos globais de combustão, a partir da análise elementar do combustível. Nesta etapa o aluno também deverá fazer uma introdução nas principais ciências envolvidas nos processos de combustão, tais como transferência de calor, a termodinâmica, a mecânica de fluidos, as reações químicas, a radiação térmica, assim como alguns dos principais conceitos de processos de combustão, tais como a entalpia de formação, obtida da primeira lei da termodinâmica, o poder calorífico, a temperatura adiabática de chama, o tempo de residência, dentre outros. 
Ainda no decorrer do segundo trimestre, seguindo para o terceiro e quarto trimestres o aluno inicia o trabalho de compilação das modelagens encontradas na literatura para processos de combustão de carvão mineral. No quarto trimestre também se inicia a elaboração de um relatório técnico como parte da documentação final do projeto e que irá servir de base para a elaboração de um artigo científico a ser apresentado no seminário de iniciação científica da URI. Ao final do quarto trimestre deve ser feita a formatação e a entrega de um relatório parcial, o qual irá compor o relatório final, ao término do projeto (quatro anos).
O resumo das atividades a serem desenvolvidas nesse plano de trabalho pode ser encontrado na Tab. 1.
Tabela 1. Cronograma de atividades.
Tarefas	Trimestres a partir do início do trabalho	
	1º	2º	3º	4º	
Revisão bibliográfica.	X	X	X	X	
Estudo sobre modelagens simplificadas de processos globais de combustão.	X	X			
Revisão das principais ciências envolvidas nos processos de combustão, tais como a transferência de calor, a termodinâmica, a mecânica de fluidos, as reações químicas, a radiação térmica, assim como alguns dos principais conceitos básicos de combustão, tais como a entalpia de formação, obtida da primeira lei da termodinâmica, o poder calorífico, a temperatura adiabática de chama, o tempo de residência, dentre outros.	X	X			
Inicio do trabalho de compilação das modelagens encontradas na literatura para processos de combustão de carvão mineral.		X	X	X	
Elaboração de um relatório técnico como parte da documentação final do projeto.				X	
Elaboração de um artigo científico a ser apresentado no seminário de iniciação científica URI.				X	

6.	Bibliografia
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