Case de Sucesso: A Simulação CFD na Otimização de Caldeiras

Na indústria moderna de geração de energia, onde a competitividade exige excelência operacional, a eficiência no funcionamento de caldeiras industriais destaca-se como um pilar crucial para o sucesso. Projetados para atender às demandas de desempenho e sustentabilidade, esses sistemas priorizam parâmetros que visam: maximizar a vida útil de caldeiras e tubulações, otimizar a eficiência térmica, reduzir emissões e garantir a geração de energia em níveis máximos.

Nesse cenário, as fornalhas emergem como uma tecnologia de referência. Seu diferencial está no arranjo de chamas independentes, que asseguram combustão estável mesmo sob cargas operacionais mínimas - uma vantagem crítica em cenários de demanda variável. Além disso, sua arquitetura versátil não está restrita ao formato tradicional de caldeiras, permitindo adaptações a diferentes projetos sem comprometer a eficácia. Outro destaque é a capacidade de manter desvios mínimos na temperatura dos gases combustíveis ao longo do fluxo horizontal, garantindo distribuição térmica homogênea e reduzindo riscos de degradação prematura dos componentes.

Desafios e Soluções

Na busca por sistemas de combustão e fluxo reativo eficientes, os desafios técnicos transcendem aplicações específicas, concentrando-se em quatro pilares essenciais: redução de emissões poluentes, maximização da eficiência energética, controle de custos (tanto de projeto quanto de manutenção) e adoção de inovações tecnológicas, como combustíveis alternativos, sistemas híbridos e materiais avançados.

A solução estratégica para esses desafios reside na criação de gêmeos digitais - modelos virtuais que simulam processos reais com alta precisão. Na prática, empresas utilizam essas simulações para otimizar dinâmica de chamas, transferência de calor, resistência ao desgaste térmico e controle de emissões (NOx, fuligem, CO). Além disso, em sistemas reativos complexos, análises preditivas permitem antever parâmetros críticos como rendimento, conversão química, seletividade de produtos e condições operacionais indesejadas, como hotspots ou zonas de estagnação.

A simulação CFD com STAR-CCM+  se destaca como ferramenta estratégica nesse contexto, permitindo modelar fenômenos complexos. Explorando agilmente as variantes de projeto desde as fases iniciais. Isso inclui desde ajustes na geometria da chama e distribuição térmica até a integração de estratégias operacionais inéditas.

Simulação

O estudo de simulação, utilizando o STAR-CCM+, em questão concentra-se na análise detalhada da fornalha de uma caldeira industrial, com o objetivo de investigar as características de combustão do gás natural e seu impacto na eficiência e estabilidade operacional do equipamento.

A simulação foi desenvolvida com base em um modelo de combustão não-premisturada (non-premixed), incorporando a cinética química detalhada do gás natural por meio de um mecanismo cinético com mais de 400 reações. A malha computacional foi refinada estrategicamente nas regiões críticas, como a zona de chama e as saídas de gases, enquanto as condições de contorno replicaram cenários operacionais reais, incluindo entrada proporcional de combustível e oxidante.

Figura 1: Geometria e malha computacional

Os resultados mostrados na Figura 2 mostram a distribuição de temperatura na fornalha, onde as regiões próximas à linha central do fluxo de gases atingem temperaturas superiores a 2000 K, indicando atividade intensa de combustão. Contudo, observa-se uma zona de baixa temperatura próxima aos bicos dos queimadores, causada pela alta concentração de ar nessas áreas, que dilui a mistura combustível e reduz a eficiência térmica local. Mensurar essa ineficiência é fundamental para verificar se o custo de pré-aquecer é justificável ou não, por exemplo.

Figura 2: Perfil de temperatura

A partir da imagem do campo de temperaturas acima, é possível compreender a distribuição térmica da caldeira e determinar se as áreas de interesse estão na temperatura adequada e recebendo calor suficiente.

A Figura 3 apresenta os perfis de concentração de CO₂, CO e OH ao longo da altura da caldeira. A concentração de CO₂ aumenta progressivamente conforme os gases ascendem, refletindo a oxidação completa do combustível em contato com o oxigênio disponível. Já o CO apresenta picos próximos aos queimadores, resultado da injeção centralizada de metano (CH₄) combinada com insuficiência de ar na zona primária. À medida que os gases sobem, o CO é convertido em CO₂ devido à maior disponibilidade de oxigênio. O perfil de OH, por sua vez, confirma a estabilidade da chama, com concentrações elevadas em regiões de combustão intensa, sinalizando eficiência na queima.

Figura 3: Perfis de concentração: (a) CO₂; (b) C; (c) OH

Na Figura 4, o campo de velocidade e as linhas de correntes (streamlines) revelam como a geometria da fornalha e dos queimadores influenciam o escoamento dos gases. Destacam-se zonas de recirculação abaixo dos queimadores, que retêm partículas não queimadas e melhoram a eficiência da combustão, e pontos "mortos" (regiões de baixa turbulência), onde há risco de acúmulo de material não reagido. Esses padrões evidenciam a necessidade de ajustes na geometria para otimizar o fluxo e evitar perdas energéticas.

Figura 4: Perfil de velocidade

Implicações Técnicas

Os resultados destacam oportunidades para melhorar o projeto da fornalha:

• Ajustar a relação ar-combustível nos bicos para reduzir zonas de baixa temperatura.

• Redesenhar a geometria para minimizar pontos mortos e garantir fluxo homogêneo.

• Aprimorar a mistura entre combustível e ar para controlar emissões de CO e também de NOx e SOx.

• Avaliar substituição de combustíveis (óleos pesados, por exemplo, por gás natural).

Case de sucesso: Como a Suzano, em parceria com a Universidade Setorial e ABTCP, otimizou fornos de cal com tecnologia digital da Siemens STAR-CCM+

A Suzano, em colaboração com a Universidade Setorial e a ABTCP, transformou desafios operacionais em resultados expressivos usando gêmeos digitais e simulações computacionais (CFD). Os fornos de cal enfrentavam obstruções recorrentes nos queimadores, alto consumo de gás natural (GN) e variabilidade no carbonato, interrompendo operações a cada 19 dias.

Com o software STAR-CCM+, a equipe ajustou proporções de ar primário (20%) e radial (30%), implementou ar central (7,5 m/s) e redirecionou o spray de metanol. Os resultados foram surpreendentes: 7% de redução no consumo de GN, 29% menos carbonato e 160+ dias de operação contínua sem obstruções, além de temperatura estável no leito (1020°C).

O caso reforça o poder da digitalização na indústria: eficiência, sustentabilidade e produtividade andam juntas quando inovação e parcerias estratégias se unem.

Conclusão

A otimização de caldeiras e fornos industriais por meio de simulações computacionais, como as realizadas com o STAR-CCM+, demonstra-se como um caminho para superar os desafios da indústria energética moderna. O uso de simulações, como no caso da Suzano, mostra que a tecnologia digital melhora o desempenho, reduz emissões e aumenta a vida útil dos equipamentos. Investir nessas soluções é um caminho certo para mais sustentabilidade e produtividade.

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