Estudo numérico e experimental aplicado a um forno industrial a gás natural para a produção de fritas cerâmicas

Abstract

Abstract : This study aims the adoption of appropriate experimental and numerical formulation for the thermal description of a whole industrial furnace used for production of ceramic frits, a material requested for glazes and coatings of tiles and porcelains. The current production in the studied kiln is over 700 kg/h and the furnace consumes around 1 MW by firing natural gas with pure oxygen. Experimental measurements of the kiln are conducted where temperature at the external walls, outlet load temperature, temperature of the flue gas and its composition are taken. In processes at high temperatures as in the case herein, radiative heat transfer is dominant and the presence of species like ?CO?_2 and H_2 O impact in this phenomenon since they are participant gas. Numerically the analyses focus in processes as combustion, flow of gas, energy transport and the subsequent heat transfer to the load. These phenomena are solved in the commercial software CFX. Eddy Dissipation Model (EDM), Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) and model k-?? with turbulence intensity of 5% are selected as models for combustion, radiative absorptivity and turbulence, respectively. A kinetic model WD 1-step is chosen for ?CH?_4/O_2 reaction under slightly excess of oxidizer. The combustion chamber and load domain are solved separately but they are coupled during iterations to improve stability and reduce computational cost. A simplified multiphase formulation using thermodynamic properties as a function of temperature is prescribed at the load. Experimental measurements of the kiln are used to validate numerical results. Two new positions of chimney are proposed and the performance of the furnaces are compared with the current model at the factory. Parameters of production are evaluated at the three models and compared with focus in the improvement of productivity. An improvement in production is observed for chimney in the front top of furnace. The current case, with chimney in the top back, presents the second best configuration tested, followed by the case with chimney in the top center.

Este estudo objetiva a adoção de uma formulação experimental e numérica apropriada para a descrição térmica de um forno industrial completo para a produção de fritas cerâmicas, material utilizado em esmaltes e revestimentos de pisos e porcelanatos. A produção atual do forno estudado é acima de 700 kg/h e o forno consome em torno de 1 MW através da queima de gás natural e oxigênio puro. Medições experimentais do forno são conduzidas, onde as temperaturas das paredes externas, temperatura da saída de material, temperatura dos gases de exaustão e sua composição são tomadas. Em processos a altas temperaturas, como no caso desse trabalho, a transferência de calor por radiação é dominante e a presença de espécies como ?CO?_2 e H_2 O impacta neste fenômeno pois são conhecidos como gases participantes. Numericamente, as análises focam em processos como combustão, escoamento dos gases, transporte de energia e a sua subsequente transferência para as fritas. Tais fenômenos são resolvidos no software comercial CFX. Modelo de dissipação EDM, soma ponderada dos gases cinzas (WSGG) e modelo de turbulência ?? - ?? com intensidade turbulenta de 5% são selecionados para modelar a combustão, absorção de radiação pelos gases e turbulência, respectivamente. O mecanismo cinético WD de 1 passo é escolhido para a reação do ?CH?_4/O_2 sob leve excesso de comburente. A câmara de combustão e carga são resolvidas separadamente, mas a influência deles é acoplada durante as iterações para melhorar a estabilidade e reduzir o custo computacional. Uma formulação multifásica simplificada que utiliza propriedades termodinâmicas como função da temperatura é prescrita no banho de matéria-prima. Medições experimentais do forno são utilizadas para validar os resultados numéricos. Duas novas posições para a chaminé são propostas e o desempenho dos fornos é comparado com o atual modelo encontrado na fábrica. Parâmetros de produção são avaliados nos três modelos e confrontados com foco na produtividade. Um aperfeiçoamento no rendimento é observado para o caso com chaminé na parte frontal superior do forno. O modelo atual, com chaminé na parte superior posterior, apresenta-se como a segunda melhor configuração testada, seguida pelo caso com chaminé na parte superior central.