Simulação CFD de Pré-calcinadores Cimenteiros com STAR-CCM+
- Alvaro Filho
- há 2 horas
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A produção de cimento é uma das atividades industriais mais intensivas em energia e emissões, respondendo por cerca de 5% a 8% das emissões globais de CO₂. No processo moderno de fabricação via seca, o pré-calcinador desempenha um papel central e crítico, sendo o equipamento onde ocorre a maior parte da calcinação do calcário (decomposição de CaCO3 em CaO e CO2) e onde se consome entre 55% e 65% do combustível total do sistema.
A eficiência desse equipamento depende de um equilíbrio termodinâmico delicado entre duas reações principais: a combustão do combustível (processo exotérmico) e a decomposição da matéria-prima (processo endotérmico). Devido à complexidade do escoamento multifásico, onde fases sólidas e gasosas interagem em altas velocidades e temperaturas, a experimentação física em escala industrial é extremamente custosa e, muitas vezes, inviável para medições internas detalhadas.
Nesse contexto, a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), com STAR-CCM+, surge como uma ferramenta essencial para a otimização e o design desses reatores. Através da modelagem numérica, é possível prever a hidrodinâmica do escoamente, a transferência de calor, a cinética química e a emissão, fatores críticos que atuam no pré-calcinador.
Desafios e Soluções na Simulação de Pré-calcinadores
A simulação CFD de pré-calcinadores apresenta desafios associados à complexidade multifásica, térmica e reativa do processo. A coesão e aglomeração de partículas finas da farinha crua alteram significativamente o escoamento e a eficiência de calcinação, exigindo modelos avançados de fase particulada. Em escala maior, a formação de clusters gás-sólido introduz heterogeneidades que tornam inadequados os modelos homogêneos de arrasto.
A transferência de calor constitui outro ponto crítico, devido às camadas limite térmicas muito finas junto às paredes, cujo correto refinamento de malha é inviável em geometrias industriais completas. Como solução, o acoplamento do CFD com modelos mecanísticos simplificados permite estimativas térmicas realistas com custo computacional reduzido.
Além disso, o forte acoplamento entre reações exotérmicas e endotérmicas impõe elevada não linearidade ao sistema. No contexto da redução de emissões, a combustão Oxy-Fuel traz desafios adicionais, como atraso na ignição e altas concentrações de CO₂, os quais podem ser mitigados por estratégias de queima multiestágio e pré-gaseificação, garantindo estabilidade operacional e baixos níveis de NOx.
Simulação CFD do Pré-calcinador
O presente estudo de simulação numérica, desenvolvido no STAR-CCM+, tem como foco a análise detalhada da combustão em um pré-calcinador cimenteiro de grande porte, com ênfase na avaliação das características do processo Oxy-Fuel e seus impactos na eficiência térmica e na estabilidade operacional do equipamento.
A modelagem foi conduzida utilizando um modelo de combustão não-premisturada (non-premixed), incorporando a cinética química do carvão, os fenômenos de desvolatilização, a formação de NOx e os efeitos de radiação térmica. O mecanismo cinético empregado está apresentado na Tabela 1. Ressalta-se que, neste estudo, o modelo particulado do carbonato de cálcio (CaCO₃) não foi considerado, concentrando a análise exclusivamente na combustão do combustível sólido.
Reação | Equação |
R1 | 2CO+O2->2CO2 |
R2 | C + 1.5 O2 -> 0.5 CO +0.5 CO2 |
R3 | C + CO2 -> 2CO |
R4 | CaCO3 -> CaO + CO2 |
R5 | Desvolatilização |
Tabela 1. Reação Químicas
O modelo numérico adotou as seguintes premissas de simulação: regime estacionário, gases ideais, modelo de combustão Eddy Break-Up (EBU), modelo de turbulência k-ε Realizable, modelo de NOx térmico e partículas de carvão modeladas de forma lagrangiana, com diâmetro médio de 50 μm.
A malha computacional foi refinada estrategicamente nas regiões de maior gradiente térmico e químico, como as zonas de entrada de ar primário, terciário e injeção de carvão. As condições de contorno foram definidas de modo a reproduzir cenários operacionais reais, incluindo vazões prescritas de ar e combustível, garantindo maior representatividade física do modelo.
Figura 1. Geometria e malha computacional
A Figura 2 apresenta o campo de temperatura no interior do pré-calcinador. Observa-se que as regiões próximas ao eixo central do escoamento atingem temperaturas superiores a 2100 K, evidenciando uma intensa atividade de combustão. Em contraste, identifica-se uma zona de baixa temperatura nas proximidades dos bicos de entrada, associada à elevada concentração de ar nessas regiões, que promove a diluição da mistura combustível e reduz localmente a eficiência térmica. A análise do campo térmico permite avaliar se as regiões de interesse operam dentro da faixa de temperatura adequada para o processo.
Figura 2. Perfil de temperatura
Complementando essa análise, a Figura 3 apresenta o perfil axial de temperatura ao longo do pré-calcinador. Nota-se um pico térmico nos primeiros 10 metros, resultante das reações iniciais de combustão do carvão, seguido por uma redução gradual da temperatura ao longo do escoamento, à medida que o combustível é consumido e ocorre a diluição dos gases.
Figura 3. Plot de temperatura
A Figura 4 ilustra os perfis de concentração de CO, CO₂ e O₂ ao longo da altura do pré-calcinador. A concentração de CO₂ diminui progressivamente com a ascensão dos gases, refletindo as interações químicas e a diluição do escoamento. O CO apresenta picos próximos à região dos queimadores, associados à injeção centralizada do carvão e à combustão incompleta. Devido à baixa disponibilidade local de oxigênio, parte do CO não é oxidada a CO₂, resultando em uma menor concentração de CO₂ na saída do equipamento.
Figura 4. Perfis de concentração: (a) CO; (b) CO2; (c) O2
A Figura 5 mostra a evolução da fração molar dos principais componentes ao longo do eixo vertical do pré-calcinador. Observa-se um consumo significativo de O₂ e CO₂, concomitante à geração de espécies como voláteis, CO e H₂O, caracterizando as etapas dominantes do processo de combustão do carvão.
Figura 5. Plot fração molar
Por fim, a Figura 6 apresenta o campo de velocidade e as linhas de corrente, evidenciando a influência direta da geometria do pré-calcinador sobre o escoamento. Destacam-se zonas de recirculação próximas à entrada de ar terciário, bem como regiões de baixa turbulência (“zonas mortas”), que representam potenciais áreas de acúmulo de material não reagido. Embora essas regiões estejam associadas à separação do escoamento, elas também desempenham um papel relevante na condução e mistura dos gases. Esses resultados indicam a necessidade de ajustes geométricos para otimização do escoamento, redução de perdas energéticas e melhoria da eficiência global do equipamento.
Figura 6. Perfil de velocidade
Conclusão
Os resultados apresentados evidenciam que o uso do STAR-CCM+ como plataforma de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para a análise integrada dos fenômenos fluidodinâmicos, térmicos e reativos que governam o desempenho de pré-calcinadores cimenteiros. A robustez do software permitiu a modelagem consistente da combustão não-premisturada, do transporte de espécies, da radiação térmica e do comportamento particulado, possibilitando uma representação fiel das condições operacionais industriais.
A abordagem adotada mostrou-se especialmente relevante no contexto da combustão Oxy-Fuel, onde o acoplamento entre reações químicas, transferência de calor e dinâmica particulada impõe desafios adicionais. A utilização de modelos adequados possibilita avaliar estratégias de operação e de projeto, como a otimização da injeção de ar e combustível, ajustes geométricos e configurações de queimadores, visando redução de emissões, aumento da eficiência energética e maior robustez operacional.
Dessa forma, a simulação CFD se consolida como uma ferramenta estratégica para tomada de decisão, retrofit e desenvolvimento de novas tecnologias em plantas cimenteiras, reduzindo a dependência de testes empíricos e acelerando a transição para processos mais eficientes e ambientalmente sustentáveis.
Referências
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