Análise térmica e modelagem numérica de um forno de fusão de material vítreo a gás natural

Abstract

Este trabalho abrange o estudo de um forno industrial de produção de silicato de sódio, com o objetivo de fornecer subsídios para o aumento da eficiência energética e melhoria do seu desempenho. O trabalho incluiu o levantamento de dados in situ e também a modelagem numérica do processo. As medições envolveram vários parâmetros, sendo empregadas para o desenvolvimento e validação de um modelo numérico, capaz de analisar a influência dos diversos parâmetros na operação do forno. O modelo é baseado no método dos Volumes Finitos e resolve os fenômenos da turbulência, combustão e radiação, através dos modelos RANS, EDM e DTRM, respectivamente. O modelo envolve o forno por completo: cavidade com a queima de gás natural, banho de fusão da matéria-prima e paredes do forno. A liberação de CO2 pelo banho também foi considerada, tendo influência nas trocas radiativas internas. Os resultados experimentais indicaram grande potencial de economia de energia principalmente nos gases da chaminé representando 60 a 70% da energia de entrada do forno. Nos resultados numéricos a não consideração da liberação de CO2 na modelagem numérica se mostrou com diferença significativa no tratamento das trocas térmicas quando comparada com dados experimentais chegando a diferenças de mais de 18%. Essa diferença desce para menos de 10% quando modelada a liberação de CO2 pelo banho no modelo. Duas alterações na montagem do forno foram analisadas para um melhor desempenho do mesmo, inclinação do queimador e posição da chaminé demonstrando que uma pequena inclinação pode ser favorável ao processo.<br>

Abstract : This work covers the study of an industrial kiln for production of sodium silicate with the aim to provide subsidies to improve energy efficiency and performance. The study included data collection in sit and numerical modeling of the process. Measurements involved various parameters and were used for the development and validation of a numerical model, capable to analyze the influence of differents parameters on furnace operation. The model is based on the Finite Volume Method and solves the phenomena of turbulence, combustion and radiation through the RANS, EDM and DTRM models respectively. The model covers the complete kiln: fluid flow inside kiln cavity, the bath with melting product inside the kiln and the kiln walls. The release of CO2 by the bath was also taken into account, due to its influence on internal radiative heat exchanges. Collected experimental data indicated great potential for energy savings, mainly in the chimney gases representing 60-70% of the kiln energy input. The neglect of the CO2 liberation by the molten bath in the numerical model resulted in a significant difference between numerical and experimenatl results on the thermal exchanges reaching over 18%. This difference was reduced to less than 10% when the CO2 liberation was included in the same model. Two variations in the kiln's assembling were analyzed to obtain a better themal performance, the inlcination of the burner and the position of the chimney inlet. A small inclination of the burner was considered to be favorable to the process.