Simulação numérica do processo de combustão de cavacos de eucalipto em fornalha de grelhas reciprocantes

Abstract

As mudanças climáticas, resultantes do aumento dos gases de efeito estufa na atmosfera, estão impulsionando a adoção de fontes sustentáveis de energia, bem como o desenvolvimento contínuo de processos de conversão mais limpos e eficientes. A biomassa, enquanto fonte renovável baseada em carbono, desempenha um papel significativo no contexto da transição energética. Na indústria, é comum que a conversão da biomassa ocorra por meio da combustão direta em sistemas de grelha. Apesar de serem robustos e amplamente difundidos, esses equipamentos ainda enfrentam uma série de desafios tecnológicos que precisam ser superados. Em âmbito nacional, projetos de pequena e média complexidade são frequentemente desenvolvidos de maneira semiempírica, o que impossibilita a otimização dos processos subjacentes. Com a perspectiva de promover o uso da fluidodinâmica computacional na análise e no projeto de geradores de vapor, este estudo investiga a queima de cavacos de eucalipto no interior de uma câmara de combustão que emprega grelhas reciprocantes. Os objetivos incluem desenvolver um modelo matemático para a combustão de cavacos de madeira em leito móvel, bem como avaliar o processo de queima gasosa na fornalha por meio de uma ferramenta comercial de CFD. Sete espécies químicas foram consideradas, incluindo H2O, CH4, H2, CO, CO2, O2 e N2. Na primeira fase do estudo, as grelhas foram divididas em zonas ao longo do seu comprimento. Para cada uma das zonas, taxas de secagem, desvolatilização e oxidação do carvão foram prescritas. Através de balanços de massa e energia, determinaram-se a temperatura, a vazão mássica e a concentração de espécies químicas dos gases que deixam o leito em cada região da fornalha. O sistema de equações foi implementado em uma rotina de MATLAB. Em seguida, o processo de combustão gasosa na fornalha foi abordado com o método dos volumes finitos utilizando o software Ansys Fluent. Nesta etapa, as condições de contorno foram especificadas com base nos resultados obtidos com o modelo analítico para a conversão do leito de biomassa. Diversas equações de conservação foram resolvidas no domínio de interesse, incluindo a conservação da massa, quantidade de movimento linear, energia e espécies, bem com como a conservação de variáveis relacionadas ao modelo de turbulência. Os resultados revelam como se dá a distribuição das principais variáveis do sistema de combustão, como velocidade, temperatura e concentração de espécies químicas, na condição nominal do equipamento. Ao comparar o valor calculado da temperatura média na saída da fornalha com dados experimentais, observou-se uma diferença relativa de 2,1%. Quanto às frações mássicas das espécies químicas na mesma região, a maior diferença percentual entre os valores calculados e os fornecidos pelo fabricante foi de 2,2%. De maneira geral, este estudo contribui para tornar os projetos de sistemas de queima em grelha mais sustentáveis ao delinear uma metodologia ágil para a análise numérica do problema.

Abstract: Climate change, driven by the escalating levels of greenhouse gases in the atmosphere, has led to an increasing demand for sustainable energy sources and the continuous advancement of cleaner and more efficient energy conversion methods. Biomass, being a renewable carbon-based resource, holds a pivotal role in the global energy transition landscape. In industrial settings, biomass conversion predominantly relies on direct combustion in grate systems. However, despite their robustness and widespread use, these systems encounter several technological challenges that require resolution. At the national level, many small and medium-complexity projects are often developed in a semi-empirical manner, hindering the optimization of underlying processes. This study aims to promote the utilization of computational fluid dynamics for the analysis and design of steam generators by investigating the combustion of eucalyptus wood chips within a combustion chamber employing reciprocating grates. The objectives encompass the development of a mathematical model to describe the bed combustion of biomass and the assessment of gas-phase combustion within the furnace using a commercial CFD tool. Seven chemical species, including H2O, CH4, H2, CO, CO2, O2, and N2, were considered in the analysis. In the initial phase of the study, the grates were segmented into zones along their length. For each of these zones, drying, devolatilization, and coal oxidation rates were prescribed. Through mass and energy balances, temperature, mass flow rate, and the concentration of chemical species in the gases leaving the bed were determined for each region of the furnace. This equation system was implemented using a MATLAB routine. Subsequently, the gas-phase combustion in the furnace was addressed using the finite volume method with Ansys Fluent software. Boundary conditions were specified based on the results obtained from the analytical model for biomass bed conversion. Various conservation equations, including those for mass, momentum, energy, species concentration, and turbulence-related variables, were solved within the domain of interest. The results unveil the distribution of key parameters within the combustion system, including velocity, temperature, and the concentration of chemical species, under nominal equipment conditions. When comparing the calculated average temperature at the furnace outlet with experimental data, a relative difference of 2.1% was observed. Regarding the mass fractions of chemical species in the same region, the largest percentage difference between the calculated values and those provided by the manufacturer was 2.2%. In summary, this study contributes to enhancing the sustainability of grate burning system projects by presenting an agile methodology for the numerical analysis of the problem.