Simulação DEM aplicada a caldeiras
- Alvaro Filho
- 15 de abr.
- 4 min de leitura
A utilização da biomassa como fonte de energia tem ganhado relevância no cenário industrial. Proveniente de resíduos de outros processos, esse tipo de combustível representa uma alternativa viável e sustentável. Quando empregado em sistemas de queima eficientes, contribui significativamente para a redução dos custos operacionais, diminui as emissões de gases de efeito estufa e fortalece a imagem da empresa, especialmente em um mercado cada vez mais atento aos critérios e selos de sustentabilidade.
Figura 1 – Biomassa
No caso das caldeiras que utilizam biomassa, a queima envolve materiais orgânicos como cavacos de madeira, bagaço de cana, cascas de arroz e resíduos agrícolas que fornecem energia térmica para gerar vapor para geração de energia elétrica ou para processos industriais.
Figura 2 – Caldeira
A eficiência do processo de queima em caldeiras está diretamente ligada ao escoamento adequado do combustível sobre a grelha. Em sistemas de grelha fixa, a distribuição irregular do material, incluindo a presença de camadas já consumidas sobre porções ainda não queimadas, pode provocar acúmulos localizados e a formação de regiões com queima incompleta, reduzindo o rendimento térmico.
Esse efeito aumenta a quantidade de resíduos não consumidos, elevando o consumo específico de combustível, pois entre as cinzas estará uma parcela significativa de biomassa não queimada. Essa biomassa não queimada, além de reduzir a eficiência da caldeira, 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 para desentupir a moega coletora de cinzas e o ar entrar em contato com a biomassa não queimada.
Figura 3 – Cavaco de madeira
Diante dessas limitações, diferentes configurações de grelhas têm sido estudadas e aplicadas para melhorar a movimentação e distribuição da biomassa durante a combustão. A modelagem do escoamento desse material na caldeira é essencial para otimizar seu comportamento, considerando propriedades físicas como granulometria e densidade, além das características da grelha. Essas soluções visam promover um fluxo mais homogêneo, favorecendo o contato entre a biomassa e o ar, reduzindo regiões com excesso ou deficiência de combustível e permitindo a identificação de zonas críticas.
Modelagem do escoamento de biomassa com o Simcenter Star-CCM
O Simcenter STAR-CCM+ oferece recursos avançados para simular o comportamento de materiais granulares e partículas por meio da metodologia DEM (Discrete Element Method). O modelo baseia-se na representação de materiais particulados como um conjunto de partículas discretas que podem interagir entre si e com superfícies sólidas.
Figura 4 – Elemento DEM
Essa abordagem permite representar com precisão a interação entre as partículas de biomassa e os componentes internos da caldeira, como a grelha vibratória, além de incorporar parâmetros operacionais e características físicas do material.
Figura 5 – Elementos DEM em contato
Durante a simulação, é possível configurar a inclinação da grelha e analisar como essa variável, em conjunto com a gravidade, influencia a velocidade e o padrão de escoamento da biomassa. Também é possível ajustar a intensidade e a direção das vibrações (horizontais, verticais ou combinadas), observando como essas forças afetam a movimentação do material.
Na simulação, foi analisado o comportamento das partículas sobre a mesma grelha, uma em configuração estática (superior) e outra vibratória (inferior), ambas mantidas na mesma inclinação. O vídeo 1 ilustra a simulação dos casos citados.
Vídeo 1 – Velocidade de escoamento de biomassa utilizando DEM (vista lateral)
Apesar da grelha estar inclinada, as partículas não apresentaram o mesmo escoamento observado na configuração vibratória. Esse comportamento está relacionado à natureza do material das partículas, que, devido às suas características físicas, não permitem o escoamento na configuração estática. Esta comparação destaca a importância da simulação, onde é possível prever o comportamento sob diferentes cenários.
Essa flexibilidade permite identificar configurações ideais que evitem entupimentos, promovam um fluxo uniforme e maximizem a eficiência da combustão. Além disso, características específicas da biomassa, como o tamanho e a distribuição das partículas, densidade, rugosidade e coeficientes de atrito, podem ser incorporadas ao modelo. Isso torna a simulação mais realista e fiel às condições reais de operação, permitindo prever com maior precisão o comportamento do material dentro da caldeira.
A simulação de queima de biomassa, o uso de modelos numéricos permite prever e corrigir problemas antes que ocorram, otimizando o desempenho dos sistemas. No Simcenter STAR-CCM+, as simulações possibilitam avaliar diferentes cenários operacionais antes da construção ou modificação de caldeiras. Alterando parâmetros como a inclinação da grelha e a intensidade das vibrações. Desta forma é possível analisar o impacto dessas variáveis no escoamento e na distribuição da biomassa, identificando problemas como acúmulo de material, fluxos irregulares ou zonas com baixa queima ainda na fase de projeto. Isso previne correções tardias, resultando em decisões mais assertivas, diminuindo a necessidade de ajustes em campo e prevenindo paradas não programadas. Com esses ajustes, há ganhos em eficiência térmica, menor consumo de combustível e redução nas emissões.
Essas abordagens ilustram como o uso de simulações e modelos numéricos, como o DEM, se torna uma ferramenta estratégica, proporcionando operações mais eficientes e sustentáveis, seja no manuseio de minerais ou no design de sistemas de queima.
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