DEM aplicado a combustão em caldeiras
- Alvaro Filho
- 5 de jun.
- 4 min de leitura
Uma caldeira tem como função principal produzir calor para aquecer água ou gerar vapor, que pode ser usado em diferentes processos industriais e na geração de energia. Esse equipamento pode operar com variados tipos de combustíveis, incluindo óleos combustíveis, gás natural, eletricidade e biomassa.
No caso das caldeiras que utilizam biomassa, o calor é gerado pela queima de materiais de origem orgânica, como pedaços de madeira (cavacos), bagaço e palha de cana-de-açúcar, casca de arroz e outros resíduos provenientes da agricultura. Essa alternativa é considerada mais sustentável por aproveitar subprodutos que, considerando seu ciclo de vida, possuem emissão de carbono zerada ou muito baixa.
Figura 1 – Biomassa
Figura 2 – Princípio de funcionamento caldeira com biomassa
Utilizar biomassa como fonte de energia traz benefícios ambientais significativos. Como é um recurso renovável, ela permite o aproveitamento de resíduos orgânicos, como restos agrícolas e florestais, e ajuda a diminuir a emissão de gases que provocam o efeito estufa — especialmente se comparada ao uso de combustíveis fósseis como o óleo diesel.
Isso ocorre porque a biomassa participa de um ciclo de carbono mais equilibrado: as plantas absorvem dióxido de carbono (CO₂) da atmosfera enquanto crescem, e esse mesmo CO₂ é liberado novamente durante a queima. Além disso, por conter cadeias carbônicas mais curtas, sua combustão é mais eficiente, gerando menos poluentes como monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOₓ) e hidrocarbonetos não queimados. Já os combustíveis fósseis, especialmente aqueles com cadeias mais longas de carbono (como C₈ ou C₁₂), apresentam maior dificuldade de quebra durante a queima, o que favorece a formação de espécies intermediárias e aumenta a emissão desses poluentes. Assim, o impacto líquido da biomassa tende a ser muito menor do que o das fontes fósseis.
Figura 3 - Ciclo do carbono
A eficiência da combustão da biomassa dentro das caldeiras depende diretamente da forma como o combustível se distribui sobre a grelha. Nos sistemas de grelha fixa, é comum que o material se acumule de maneira desigual, resultando em camadas parcialmente queimadas sobre outras ainda não queimadas. Isso cria áreas com combustão incompleta, comprometendo o rendimento térmico da caldeira.
Além disso, este acúmulo de combustível não queimado pode causar acidentes devido a combustão espontânea que pode ocorrer ao ser retirada quente da caldeira e entrar novamente em contato com o oxigênio do ar. Algumas empresas relatam acidentes, por exemplo, ao soprar ar comprimido para desentupir a moega coletora de cinzas e com biomassa não queimada em altas temperaturas.
Modelagem da combustão utilizando STAR-CCM+
Como já foi mostrado no post Simulação DEM aplicada a caldeiras, inicialmente foi avaliado apenas o escoamento da biomassa sobre a grelha, comparando os casos com grelha fixa e vibratória. Nesta etapa, foi incorporado ao modelo o processo de combustão.
Utilizando o Simcenter STAR-CCM+, é possível simular a combustão da biomassa, observando a redução de massa das partículas devido à volatilização do carbono durante a queima. O escoamento de ar primário, que atua como agente oxidante, também é considerado, permitindo avaliar sua influência na eficiência da combustão e no escoamento dos gases.
Figura 4 – Discrete Element Method (DEM)
Ao associar o modelo DEM com o modelo de combustão, é possível mapear a combustão da biomassa.
Figura 5 - Modelo computacional da grelha e ambiente reacional
O modelo de combustão Eddy Break-up do Simcenter STAR-CCM+ possibilita a simulação detalhada do processo de queima da biomassa. Ele acopla um domínio fluido, que representa o ar onde irão acontecer as reações, e o próprio DEM, além de outros modelos auxiliares como a turbulência e transferência de massa.
Com isto, é possível observar a evolução do processo de combustão, avaliar o tempo necessário para a combustão completa, as temperaturas atingidas durante a reação, os produtos gerados (como CO₂, CO, H₂O, entre outros) e o fluxo de massa necessário para manter a queima em regime permanente.
Figura 6 - Fração molar do ar, combustível, monóxido e dióxido de carbono durante a reação de combustão
Com isso, é possível mapear todo o sistema térmico, identificando zonas de alta e baixa reatividade, regiões com combustão incompleta, áreas de acúmulo de material ou de deficiência de oxigênio, além de otimizar o fornecimento de ar e a geometria interna da caldeira.
Vídeo 1 – Temperatura do ar e da partícula durante a queima da biomassa
Essa integração entre o modelo de escoamento por DEM e o modelo de combustão permite um entendimento completo do comportamento da biomassa dentro do sistema, promovendo melhorias no desempenho térmico, maior eficiência na conversão de energia e redução nas emissões de poluentes.
Vídeo 2 – Concentração de CO₂ e massa das partículas durante a combustão da biomassa
O uso do Simcenter STAR-CCM+ na simulação do escoamento e da combustão da biomassa permite representar todo o processo térmico de forma precisa, desde a movimentação do combustível até sua queima completa. Essa abordagem possibilita identificar falhas operacionais, otimizar o projeto da caldeira e ajustar variáveis como geometria, vibração e fornecimento de ar. Com isso, é possível aumentar a eficiência energética, reduzir o consumo de combustível, minimizar emissões e resíduos, e tornar a planta mais segura, confiável e sustentável. A simulação se torna, assim, uma ferramenta essencial para a modernização e o aprimoramento de sistemas térmicos industriais.
Referências:
CARVALHO, Leonardo Lima de. Estudo da dinâmica de escoamento da unidade Microwave Paddle Dryer. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. Disponível em:
OLIVEIRA, Luiz. Avaliação numérica do fenômeno de mistura em tambores rotatórios. ENEMP – Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, 2022.
Quer entender como otimizar o desempenho da sua caldeira a biomassa e reduzir emissões com o uso de simulações avançadas? Agende agora uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como aplicar o modelo de combustão acoplado ao DEM pode transformar sua operação em eficiência, segurança e sustentabilidade.
WhatsApp: +55 (48) 98814-4798
E-mail: contato@caexperts.com.br
Comments