Modeling of a coal-fired slagging combustor: Development of a slag submodel

In a slagging combustor or furnace, the high combustion temperature makes the molten slag layer cover the wall and capture the particles. If these particles contain combustible matter, they will continue to burn on the running slag. As a result, the total amount of ash deposition will be much greater than that in dry-wall combustors and the total heat flux through the deposition surface will change greatly. Considering the limitations of existing simulation methods for slagging combustion, this paper introduces a new wall burning model and slag flow model from the analysis; of particle deposition phenomena. Combined with a conventional combustion simulation program, the total computational frame is introduced. From comparisons of simulation results from several kinds of methods with experimental data, the conclusion is drawn that the conventional simulation methods are not very suitable for slagging combustion and the wall burning mechanism should be considered more thoroughly.

Qualitative Process Theory

Objects move, collide, flow, bend, heat up, cool down, stretch, compress and boil. These and other things that cause changes in objects over time are intuitively characterized as processes. To understand common sense physical reasoning and make programs that interact with the physical world as well as people do we must understand qualitative reasoning about processes, when they will occur, their effects, and when they will stop. Qualitative Process theory defines a simple notion of physical process that appears useful as a language in which to write dynamical theories. Reasoning about processes also motivates a new qualitative representation for quantity in terms of inequalities, called quantity space. This report describes the basic concepts of Qualitative Process theory, several different kinds of reasoning that can be performed with them, and discusses its impact on other issues in common sense reasoning about the physical world, such as causal reasoning and measurement interpretation. Several extended examples illustrate the utility of the theory, including figuring out that a boiler can blow up, that an oscillator with friction will eventually stop, and how to say that you can pull with a string but not push with it. This report also describes GIZMO, an implemented computer program which uses Qualitative Process theory to make predictions and interpret simple measurements. The represnetations and algorithms used in GIZMO are described in detail, and illustrated using several examples.

A hierarchical physical model-based approach to predictive control of a thermal power plant for efficient plant-wide disturbance rejection

Extending the work presented in Prasad et al. (IEEE Proceedings on Control Theory and Applications, 147, 523-37, 2000), this paper reports a hierarchical nonlinear physical model-based control strategy to account for the problems arising due to complex dynamics of drum level and governor valve, and demonstrates its effectiveness in plant-wide disturbance handling. The strategy incorporates a two-level control structure consisting of lower-level conventional PI regulators and a higher-level nonlinear physical model predictive controller (NPMPC) for mainly set-point manoeuvring. The lower-level PI loops help stabilise the unstable drum-boiler dynamics and allow faster governor valve action for power and grid-frequency regulation. The higher-level NPMPC provides an optimal load demand (or set-point) transition by effective handling of plant-wide interactions and system disturbances. The strategy has been tested in a simulation of a 200-MW oil-fired power plant at Ballylumford in Northern Ireland. A novel approach is devized to test the disturbance rejection capability in severe operating conditions. Low frequency disturbances were created by making random changes in radiation heat flow on the boiler-side, while condenser vacuum was fluctuating in a random fashion on the turbine side. In order to simulate high-frequency disturbances, pulse-type load disturbances were made to strike at instants which are not an integral multiple of the NPMPC sampling period. Impressive results have been obtained during both types of system disturbances and extremely high rates of load changes, right across the operating range, These results compared favourably with those from a conventional state-space generalized predictive control (GPC) method designed under similar conditions.

Process simulation of co-firing torrefied biomass in a 220 MWe coal-fired power plant

Torrefaction based co-firing in a pulverized coal boiler has been proposed for large percentage of biomass co-firing. A 220 MWe pulverized coal-power plant is simulated using Aspen Plus for full understanding the impacts of an additional torrefaction unit on the efficiency of the whole power plant, the studied process includes biomass drying, biomass torrefaction, mill systems, biomass/coal devolatilization and combustion, heat exchanges and power generation. Palm kernel shells (PKS) were torrefied at same residence time but 4 different temperatures, to prepare 4 torrefied biomasses with different degrees of torrefaction. During biomass torrefaction processes, the mass loss properties and released gaseous components have been studied. In addition, process simulations at varying torrefaction degrees and biomass co-firing ratios have been carried out to understand the properties of CO₂ emission and electricity efficiency in the studied torrefaction based co-firing power plant. According to the experimental results, the mole fractions of CO ₂ and CO account for 69-91% and 4-27% in torrefied gases. The predicted results also showed that the electrical efficiency reduced when increasing either torrefaction temperature or substitution ratio of biomass. A deep torrefaction may not be recommended, because the power saved from biomass grinding is less than the heat consumed by the extra torrefaction process, depending on the heat sources. 

Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Auditoria energética e plano de racionalização de energia

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Estudo de aplicação de coletores solares na produção de eletricidade e calor para uso doméstico

O trabalho apresentado explora o aproveitamento da energia solar para suprir as necessidades energéticas, tanto elétricas como térmicas, de uma habitação tipo 3, recorrendo ao uso de coletores solares, em que o fluido de trabalho é água. As necessidades elétricas serão supridas através da produção de energia com recurso a um ciclo de Rankine, em que fluido de trabalho é um frigorigénio aquecido através de um permutador cujo fluido quente será uma mistura, de água com anticongelante, aquecida pelo coletor solar. Por outro lado, as necessidades térmicas serão satisfeitas através do calor libertado no ciclo de Rankine. Na instalação solar estará integrado um acumulador térmico com apoio energético, caldeira elétrica, que funcionará nas situações em que coletor seja insuficiente para satisfazer as necessidades térmicas. No final será feita uma avaliação económica para que possa atestar a viabilidade económica do projeto, tendo em conta os seus custos totais versus as poupanças energéticas que este sistema origina.

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

As caldeiras são equipamentos de extrema importância na maioria das indústrias portuguesas. É prática frequente os projectos de caldeiras possuírem apenas cálculos de materiais ou estruturais, nunca abordando as questões térmicas das mesmas. Neste contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o comportamento térmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal. A caldeira em estudo é uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a biomassa e com pressão de funcionamento de 10 bar. A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informação relativa aos aspectos construtivos da caldeira e as condições de operação da mesma, através da consulta do seu projecto. O estudo do comportamento térmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelação do comportamento térmico na ante-fornalha seguido da modelação do comportamento térmico do feixe tubular. Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gás para as paredes da mesma por convecção e por radiação, tendo-se utilizado o Método de Hottel para modelar a transferência de calor por radiação. No feixe tubular a transferência de calor por radiação foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferência de calor por condução e convecção entre os gases quentes e a água. Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potência transferida por radiação (96%) é muito superior à potência transferida por convecção (4%), tendo-se obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potência térmica transferida por radiação e por convecção, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potência térmica transferida por convecção foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240ºC para a temperatura de exaustão dos gases pela chaminé. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %. O balanço global de energia à caldeira indicou um peso para a potência transferida por convecção de 86,3% e para a potência transferida por radiação de 13,6%. O rendimento da caldeira foi calculado pelo método das perdas tendo-se obtido o valor de 39%.

Simulação Dinâmica do Centro de Dia e Apoio à Terceira Idade de Leça do Balio

Pela importância que os edifícios têm na utilização de energia, a avaliação do seu desempenho energético é de grande relevância, uma vez que, em grande parte, passa por estes a concretização das metas europeias definidas para 2020, no que concerne à diminuição da utilização de energia. Tendo em conta que os edifícios representam 40% do consumo de energia total, e estando o sector em expansão, esta realidade obriga a uma procura de soluções integradas de arquitetura e engenharia que promovam a sustentabilidade dos edifícios. Foi efetuado um estudo num edifício constituído por dois corpos, um mais antigo que funciona como centro de dia e um mais recente que funciona como lar, localizados no concelho de Matosinhos, onde se identificaram os pontos de maior consumo energético, para os quais foram sugeridas alterações no sentido de baixar os custos com a factura energética. Nesta dissertação foi utilizado um software de simulação dinâmica para avaliação do comportamento térmico do edifício nas condições atuais e, posteriormente, foram simulados outros cenários com alterações ao nível da envolvente térmica dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, que permitiram identificar algumas medidas de melhoria de eficiência energética. As medidas de melhoria sugeridas implicam uma redução energética, ao nível do consumo de água quente sanitária, consumo de gás natural e electricidade. De entre essas medidas, e com um payback inferior a 8 anos e meio, destacam-se a instalação de redutores de caudal, a substituição da caldeira e da bomba de recirculação, a instalação de painéis solares térmicos e a redução da quantidade de lâmpadas.

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

Influência das energias renováveis na certificação energética de uma habitação de acordo com o regulamento do desempenho energético dos edifícios de habitação

A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo da importância que os sistemas de energias renováveis têm na obtenção da classe de eficiência energética em edifícios de habitação. Analisou-se assim, qual dos sistemas apresentados na legislação é mais vantajoso na relação entre a classe energética e o investimento necessário a efetuar. Como caso de estudo, utilizou-se um edifício de habitação em fase de projeto situada em ambiente urbano, a uma distância muito curta da costa marítima, no distrito do Porto. A primeira etapa da dissertação passou pela caracterização do edifício, determinando as suas necessidades nominais anuais de energia para aquecimento, para arrefecimento, para preparação de águas quentes sanitárias e por fim, as necessidades nominais de energia primária. Com isto, obteve-se a classe de eficiência energética da habitação sem a utilização de qualquer tipo de sistema de aproveitamento de energia renovável. Após esta obtenção, verificou-se que o edifício em análise já possuía uma classe muito eficiente, classe A, superior à classe mínima exigida pelo regulamento, B-. A desvantagem do edifício já possuir esta classe é que a implementação de sistemas de energia não iriam alterar drasticamente a classe, e por isso, não se iria conseguir retirar uma dedução correta de qual o melhor para promover a eficiência energética. De seguida, procedeu-se ao estudo dos sistemas de energia renovável, apresentando sistemas adequados para a habitação e calculando-se as novas classes de eficiência energética, com a utilização de cada sistema. Consecutivamente, começou-se a retirar ilações dos sistemas mais eficientes, ou seja, os sistemas que tem como função aquecer a moradia ou a função de preparar águas quentes sanitárias, pois, iriam mitigar necessidades nominais de energia, enquanto os sistemas de produção de energia elétrica apenas iriam contribuir para uma melhoria energética. Outra desvantagem verificada foi que, devido ao local onde a habitação se situa, não seria possível efetuar uma análise a todos os sistemas de aproveitamento de energia renovável. iv Por fim, efetuou-se uma análise dos investimentos necessários para a implementação dos sistemas de energias renováveis face às diminuições percentuais do rácio de eficiência energética. Posto isto, obteve-se os melhores sistemas a implementar na moradia, no ponto de vista de melhorar a classe de eficiência energética, seria uma caldeira a pellets com função de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias, enquanto que, do ponto de vista financeiro obteve-se o sistema de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias através de um recuperador de calor a lenha, que em ambos os casos a classe de eficiência energética passou de A para A+.

Estudo de viabilidade técnico-económica da instalação de caldeiras a biomassa para o aquecimento central do ISEP

Neste projeto pretende-se utilizar uma fonte energética renovável (nomeadamente a biomassa), no âmbito da produção de água quente para aquecimento central das instalações do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O objetivo principal remete para a avaliação técnico-económica da substituição das quinze caldeiras existentes, alimentadas a gás natural, por seis caldeiras alimentadas a biomassa, nomeadamente a pellets. Desta forma, permite-se apostar na biomassa como uma alternativa para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. Neste trabalho apresenta-se uma comparação realista do sistema de aquecimento existente face ao novo a implementar, alimentado por um combustível renovável utilizando caldeiras a pellets de 85% de rendimento. Para realizar esta comparação, usou-se as faturas energéticas de gás natural do ISEP, o custo da quantidade equivalente necessária de pellets, os custos de manutenção dos dois tipos de caldeiras e, os custos do consumo de energia elétrica por parte de ambas as caldeiras. Com este estudo, estimou-se uma poupança anual de 84.100,76 €/ano. Determinaram-se experimentalmente, em laboratório, os parâmetros essenciais de uma amostra de pellets, que foram usados para calcular as necessidades energéticas em biomassa no ISEP, bem como a produção de cinzas gerada por parte das caldeiras. Foi proposto um destino ambientalmente adequado para os 788,5 kg/ano de cinzas obtidas – a utilização na compostagem, após tratamento e aprovação de ensaios ecotoxicológicos realizados pela empresa que fará a sua recolha. As caldeiras a pellets terão um consumo mínimo teórico de 16,47 kgpellets/h, consumindo previsivelmente 197,13 tpellets/ano. Para este efeito, serão usadas caldeiras Quioto de 150 kW da marca Zantia. Para comparar distintas possibilidades de investimento para o projeto, avaliaram-se dois cenários: um foi escolhido de forma a cobrir o somatório da potência instalada das caldeiras atuais e o outro de forma a responder aos consumos energéticos em aquecimento atuais. Além disso, avaliaram-se cenários de financiamento do investimento distintos: um dos cenários corresponde ao pagamento do investimento total do projeto no momento da aquisição das caldeiras, enquanto o outro cenário, mais provável de ser escolhido, refere-se ao pedido de um empréstimo ao banco, no valor de 75% do investimento total. Para o cenário mais provável de investimento, obteve-se um VAL de 291.364,93 €/ano, com taxa interna de rentabilidade (TIR) de 17 %, um índice de rentabilidade (IR) de 1,85 e um período de retorno (PBP) de 5 anos. Todos os cenários avaliados registam rentabilidade do projeto de investimento, sem risco para o projeto.

Otimização do Funcionamento de Caldeiras Aquatubulares em Indústria de Processo Químico

O presente trabalho centrou-se na otimização do rendimento térmico de duas caldeiras aquatubulares da empresa RAR- Refinaria de Açúcar Reunidas, com a finalidade de identificar onde ocorrem perdas de energia e, desta forma, propor soluções para a sua minimização. Para tal, realizaram-se ensaios em duas caldeiras da empresa providas de queimadores mistos, ou seja podem operar com fuelóleo e gás natural, tanto individualmente, como simultaneamente, sendo que para a realização dos ensaios apenas se utilizou o fuelóleo devido ao seu menor custo. Na caldeira designada por 1 realizaram-se ensaios para os caudais de 300, 500, 800, 1000, 1200, 1400 e 1600 kg/h de fuelóleo. A gama de rendimentos térmicos obtida foi entre 88,3 e 91,2%. Na caldeira designada por 3, efetuaram-se ensaios para os caudais de fuelóleo de 300, 500, 700, 900, 1000, 1200, 1400, 1500 e 1800 kg/h e os rendimentos térmicos obtidos foram entre 85,2 e 88,0%. Em ambas as caldeiras e para caudais baixos verificou-se que a quantidade de ar introduzida no processo de combustão era superior à necessária, conduzindo a uma diminuição dos valores de rendimento térmico. Para 500 kg/h de fuelóleo, por exemplo, a quantidade de ar utilizada foi cerca de duas vezes superiores ao valor estequiométrico. Tendo em conta estes factos, foi proposto ao gestor de energia a implementação de uma nova relação de ar/combustível vs caudal de combustível no sistema de controlo das referidas caldeiras. Após alguns testes (excluindo 300 kg/h de fuelóleo devido a questões de operação), considerou-se como caudal mínimo de operação os 500 Kg/h de fuelóleo nas respetivas caldeiras 1 e 3. Verificou-se que os rendimentos térmicos aumentaram, no caso da caldeira 1, para valores entre os 90,1 e 91,3% e, na caldeira 3, para valores entre 89,0 e 90,9%. Por fim, efetuou-se uma breve análise económica com o intuito de se avaliar e quantificar o que a empresa pode poupar com esta medida. O lucro anual pode oscilar entre 14.400 e 62.640€ ou 104.400 e 136.800€, para as caldeiras 1 e 3, respetivamente.