Further development of the tarcom burner nozzle with regard to reduce NOx emissions

Abstract

Resumo: Atualmente, os poluentes atmosféricos se tornaram uma grande preocupação devido aos seus impactos na saúde e meio ambiente. Sistemas de purificação do ar são necessários em diversas atividades industriais para reduzir a emissão desses poluentes. A oxidação térmica é um exemplo para o controle da poluição do ar e consiste, tipicamente, em um processo de combustão. De forma a obter um melhor entendimento do processo de combustão, modelos computacionais de dinâmica dos fluidos podem ajudar a prever esse processo, servindo como base para a otimização do desempenho dos sistemas de combustão. Nesse contexto, o objetivo dessa dissertação é de desenvolver um design para o equipamento TARCOM Burner utilizado no Ecopure®TAR. A metodologia foi construída e validada com base em casos como um fluxo em um canal, um fluxo com recirculação e uma câmera de combustão com um fluxo com recirculação. OpenFOAM® (Open Field Operation and Manipulation) é um software de código aberto utilizado nessa dissertação para a validação dos casos e para a simulações dos injetores e do Ecopure®TAR. A metodologia é uma ferramenta importante para prover resultados de forma consistente e para entender os efeitos causados pela dinâmica dos fluídos. A posição do swirler e dos injetores tem grandes influências no processo de combustão e a geometria dos injetores e o seu ângulo possuem efeitos nas zonas de recirculação e na estabilização da chama.

Abstract: World-wide, the air pollution became a concern due its adverse impacts on the health and environment. Air purification systems are necessary for the industrial activities in order to reduce the pollutants emissions. Thermal oxidation is one example for an air pollution control that consist, typically in a combustion process. In order to have a better understanding of the combustion process, Computational Fluid Dynamics models can provide an overall prediction of this process, serving as a base for the optimization of the combustion system performance. In this context, the aim of this thesis is to develop a set up for the TARCOM burner for the Ecopure®TAR installations. The methodology was built up based on validation cases such as channel flow, swirl flow and a swirl burner. OpenFOAM® (Open Field Operation and Manipulation) is a free, open-source software used in this thesis for the validation cases and for the Ecopure®TAR and nozzles simulation. The methodology is an important tool to provide consistent simulation results and to understand the effects at the fluid dynamics. The swirler and nozzles position have an influence on the combustion process and the nozzle's geometry and angle effect on the recirculation zone and flame stabilization.

Zusammenfassung: Weltweit wurde die Luftverschmutzung aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt zu einem Problem. Luftreinigungssysteme sind für die industriellen Aktivitäten notwendig, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Die thermische Oxidation ist ein Beispiel für eine Luftreinigung, die typischerweise in einem Verbrennungsprozess besteht. Um ein besseres Verständnis des Verbrennungsprozesses zu erhalten, können Computational Fluid Dynamics-Modelle eine Gesamtvorhersage dieses Prozesses liefern, die als Grundlage für die Optimierung der Leistung des Verbrennungssystems dient. In diesem Zusammenhang ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Setups für den TARCOM-Brenner für die Ecopure®TAR-Anlagen. Die Methodik wurde auf der Grundlage von Validierungsfällen wie Kanalströmung, Drallströmung und einem Drallbrenner aufgebaut. OpenFOAM® (Open Field Operation and Manipulation) ist eine freie, quelloffene Software, die in dieser Arbeit für die Validierungsfälle und für die Ecopure®TAR- und Düsensimulation verwendet wird. Die Methodik ist ein wichtiges Werkzeug, um konsistente Simulationsergebnisse zu liefern und die Auswirkungen auf die Strömungsdynamik zu verstehen. Die Position des Drallkörpers und der Düsen hat einen Einfluss auf den Verbrennungsprozess und die Geometrie der Düse sowie die Winkelwirkung der Düse auf die Rezirkulationszone und die Flammenstabilisierung.