REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP – CETEC – UEMG UFOP - CETEC - UEMG Dissertação de Mestrado "Simulação física a frio e numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altosfornos" Autor: Bruno Orlando de Almeida Santos Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis Co-Orientador: Msc. Breno Totti Maia Co-Orientador: Prof. Dr. Jose Eduardo Mautone Barros Fevereiro de 2012 REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP – CETEC – UEMG UFOP - CETEC - UEMG Bruno Orlando de Almeida Santos "Simulação física a frio e numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos" Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Processos de Fabricação Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis Co-Orientador: Me. Breno Totti Maia Co-Orientador: Prof. Dr. José Eduardo Mautone Barros Ouro Preto, Fevereiro de 2012 S237s Santos, Bruno Orlando de Almeida. Simulação física a frio e numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos [manuscrito] / Bruno Orlando de Almeida Santos. – 2012. xv, 117 f.: il. color.; grafs.; tabs. Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Processos de Fabricação. 1. Siderurgia - Teses. 2. Altos-fornos - Ventaneiras - Teses. 3. Espectrometria de plasma - Teses. 4. Plasma idutivamente acoplado (ICP) - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título. CDU: 543.4:669.162.1/.2 Catalogação: [email protected] Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais ii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos AGRADECIMENTOS Agradeço a todos que colaboraram diretamente ou indiretamente na preparação deste trabalho, e em especial: À Deus pelo dom e graça da vida, por ter me proporcionado saúde e força durante essa caminhada; Aos meus pais, Orlando e Maria Izabel, pilares fundamentais, proporcionando a educação necessária, confiança, espírito de luta, amor, pela presença e apoio incondicional durante esta trajetória; À minha esposa Juliana, pelo carinho, companhia, paciência nos dias ausentes, amor e incentivo; Ao meu irmão Douglas e familiares, pelo suporte em todos os momentos; À Lumar Metals, pela oportunidade da realização deste trabalho, em especial aos amigos Marcelo Silva Duarte, Marcelo de Souza Lima Guerra e Fabrício Silveira Garajau, e a todos que estiveram envolvidos e contribuíram para o sucesso; À REDEMAT, e especialmente ao prof. Dr. Paulo Santos Assis, pela orientação, ensinamentos e suporte no desenvolvimento do trabalho; Ao engenheiro Msc. Breno Totti Maia, pelo suporte e discussões técnicas, fundamentais no entendimento dos fenômenos estudados; Ao prof. Dr. José Eduardo Mautone Barros pelas explicações e auxílio na realização dos experimentos; Ao prof. PhD. Roberto Parreiras Tavares, pelo apoio e pela disponibilidade do laboratório (Lasip) para os testes; Aos alunos Dimas, Ana Clara e Gellinho por todo auxílio nos testes físicos no Lasip; Ao Sr. Ivan de Lima, pela grande ajuda na preparação dos equipamentos e componentes para os testes; À todos os amigos, pelo apoio e incentivo. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais iii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 16 2. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 17 2.1 Objetivo Principal ................................................................................................................ 17 2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................... 17 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................18 3.1 Processo de produção de Gusa .............................................................................................. 18 3.2 Alto-Forno ........................................................................................................................... 18 3.2.1 Descrição dos Equipamentos .......................................................................................... 23 3.3 Injeção de Combustíveis Auxiliares ...................................................................................... 27 3.3.1 Injeção de Carvão Pulverizado ....................................................................................... 28 3.4 Transporte Pneumático ......................................................................................................... 31 3.4.1 Velocidade Mínima de Transporte .................................................................................. 33 4. FORMULAÇÃO MATEMÁTICA .......................................................................................... 48 4.1 Descrição Lagrangeana......................................................................................................... 48 4.2 Descrição Euleriana .............................................................................................................. 49 4.3 Equações governantes para o escoamento da fase gasosa ...................................................... 49 4.3.1 Conservação de massa ....................................................................................................50 4.3.2 Conservação de Momento .............................................................................................. 51 4.3.3 Conservação da Energia .................................................................................................51 4.3.4 Conservação de Espécies Químicas ................................................................................ 52 4.3.5 Modelo de turbulência ....................................................................................................53 4.4 Equações governantes para o escoamento da fase particulada ............................................... 55 4.4.1 Equação de Momento .....................................................................................................55 4.4.2 Equação de Energia da Partícula ..................................................................................... 56 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais iv Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.4.3 Turbulência no acompanhamento da partícula ................................................................ 56 4.4.4 Força de arrasto em partículas ........................................................................................ 57 4.5 Equações diferenciais parciais para soluções numéricas ........................................................ 59 4.5.1 Métodos Numéricos ....................................................................................................... 60 4.6 Reações entre fluido e partícula ............................................................................................ 61 4.7 Combustão do Carvão .......................................................................................................... 65 4.7.1 Decomposição................................................................................................................ 65 4.7.2 Desvolatilização ............................................................................................................. 65 4.7.3 Oxidação do carbono...................................................................................................... 66 4.7.3.1 Modelo de Field .................................................................................................67 4.7.3.2 Modelo de Gibb .................................................................................................68 4.7.4 Pré-Aquecimento por radiação ....................................................................................... 69 4.8 Modelo de combustão (EDM - Eddy Dissipation Model) ...................................................... 70 4.9 Caracterização do escoamento rotacional .............................................................................. 71 5. METODOLOGIA..................................................................................................................... 77 5.1 Simulação física a frio .......................................................................................................... 77 5.2 Simulação Numérica ............................................................................................................ 79 5.2.1 Domínio computacional .................................................................................................81 5.2.2 Malha ............................................................................................................................ 82 5.2.3 Condições de Contorno e Iniciais ................................................................................... 83 5.2.4 Acompanhamento da solução ......................................................................................... 85 5.2.5 Monitoramento de partículas .......................................................................................... 86 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................................................. 88 6.1 Resultados da Simulação Física ............................................................................................ 88 6.2 Resultados da Simulação Numérica a frio ............................................................................. 91 6.3 Simulação numérica com combustão .................................................................................... 97 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais v Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 7. CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 109 8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................................. 111 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 112 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais vi Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos LISTA DE FIGURAS Figura 3.2.1 - Esquema das regiões internas do alto-forno. ................................................................ 20 Figura 3.2.2 - Regiões de distribuição de temperatura de gás e sólidos ao longo da altura do alto-forno ............................................................................................................................................. 22 Figura 3.2.3 - Corte esquemático da estrutura do alto-forno ............................................................... 24 Figura 3.2.4 - Imagem de uma planta do alto-forno ........................................................................... 27 Figura 3.3.1 - Consumo específico de carvão versus taxa de injeção de carvão pulverizado ............... 29 Figura 3.3.2 - Conjunto de sopro e injeção de carvão pulverizado em alto-forno ................................ 30 Figura 3.4.1 - Capacidade do produto (ton/h) em função da distância transportada (km) .................... 32 Figura 3.4.2 - Forças atuantes em uma partícula em repouso sobre uma placa plana .......................... 33 Figura 3.4.3 - Diagrama do gradiente de pressão versus a velocidade superficial do gás para a fase densa e diluída ...................................................................................................................... 34 Figura 3.4.4 - Regimes de transporte pneumático de fase diluída gás-sólido em tubo horizontal......... 35 Figura 3.4.5 - Velocidade mínima de transporte em função do tamanho da partícula .......................... 38 Figura 3.4.6 - Forças atuantes em uma partícula esférica de vidro durante o movimento inicial de transporte ............................................................................................................................. 40 Figura 3.4.7 - Comparação entre os dados experimentais com a análise teórica utilizando esferas de vidro.....................................................................................................................................42 Figura 3.4.8 - Velocidade mínima de transporte em função do diâmetro da partícula para diversos materiais............................................................................................................................... 43 Figura 3.4.9 - Comparação entre os diferentes modelos de previsão para a velocidade mínima de transporte encontrados na literatura ....................................................................................... 44 Figura 4.1.1 - Posição de várias partículas de fluido como função do tempo ...................................... 49 Figura 4.4.1 - Coeficiente de arraste de uma esfera e um cilindro circular para um fluxo uniforme. ....57 Figura 4.5.1 - Apresentação esquemática típica de uma malha bi-dimensional ...................................60 Figura 4.6.1 - Diferentes tipos de comportamento de partículas sólidas em reação ............................. 62 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais vii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 4.6.2 - Representação esquemática do modelo de conversão progressiva para reações heterogêneas sólido-gás ........................................................................................................ 63 Figura 4.6.3- Representação esquemática do modelo de núcleo não reagido. .....................................64 Figura 4.9.1 - Estabilizador de chama ................................................................................................ 72 Figura 4.9.2 - Transporte de partículas comparando: (a) S=0.0; (b) S=0.58; (c) S=0.94 e (d) S=1.13..73 Figura 4.9.3 - Efeito do aumento do número de torção na frente de chama ......................................... 74 Figura 4.9.4 - Linhas de fluxo e perfil de temperatura para dois números de torção ............................ 75 Figura 4.9.5 - Iso-superfícies de velocidade para dois diferentes números de torção........................... 76 Figura 5.1.1 - Aparato físico para visualização do espalhamento. ...................................................... 78 Figura 5.1.2 - Tipos de Ventaneiras utilizadas no experimento físico com injeção de (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24.............................................................................................................. 79 Figura 5.2.1- Fluxograma do processo típico de uma análise de CFD ................................................ 80 Figura 5.2.2 - Farfield da zona de combustão aplicado na simulação computacional.......................... 81 Figura 5.2.3- Malha computacional da região de espalhamento e combustão. ....................................82 Figura 5.2.4 - Malha das ventaneiras (a) lança simples, (b) lança dupla e (c) Torção S=0.12 e S=0.24. ............................................................................................................................................. 83 Figura 5.2.5 - Visão geral simplificada do método de solução............................................................ 86 Figura 6.1.1 - Comparação das Ventaneiras de (a) Lança Simples e (b) Lança Dupla. ........................ 89 Figura 6.1.2 - Efeito da disposição das lanças de injeção de carvão pulverizado. η é a eficiência de combustão medida pelo modelo a distancia de 300mm da lança ............................................ 90 Figura 6.1.3 - Efeito do espalhamento do material injetado nas ventaneiras (a) lança Simples, (b) Lança Dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. .................................................................................. 91 Figura 6.2.1 - Perfis de velocidade dos sistemas de (a) lança simples, (b) dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24..................................................................................................................................92 Figura 6.2.2 - Velocidade dos diferentes tipos de injeção em relação a saída das ventaneiras. ............ 93 Figura 6.2.3 - Espalhamento previsto pelo modelo numérico empregado. .......................................... 94 Figura 6.2.4 - Distribuição do tamanho das partículas nos sistemas de injeção (a) de lança simples, (b) de lança dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. ............................................................................... 96 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais viii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.3.1 - Principais dimensões para determinação da geometria do equipamento estudado. ........ 97 Figura 6.3.2 - Principais dimensões em milímetros da geometria utilizada na simulação com combustão. ........................................................................................................................... 98 Figura 6.3.3 - Comparação das principais dimensões e do perfil de temperatura entre os métodos de injeção de (a) LS deste trabalho com (b) o modelo de LS estudado por Shen et al ................. 99 Figura 6.3.4 - Temperatura dos gases na zona de combustão, comparados os modelos deste trabalho com o de Shen et al ............................................................................................................ 100 Figura 6.3.5 - Temperatura das partículas para (a) sistema de LS deste trabalho e (b) modelo de Shen et al .................................................................................................................................... 101 Figura 6.3.6 - Perfil de temperatura para os tipos de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. ........................................................................................................................................... 101 Figura 6.3.7 - Comparação da temperatura do gás na zona de combustão dos diferentes métodos de injeção estudados................................................................................................................ 102 Figura 6.3.8 - Temperatura média da zona de combustão para os diferentes métodos de injeção estudados............................................................................................................................ 103 Figura 6.3.9 - Comparação entre o modelo de lança simples testado por Shen et al.(48) e o sistema de injeção S=0.24 deste trabalho. ............................................................................................ 104 Figura 6.3.10 - Fração mássica de CO2 nos sistema de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. ........................................................................................................................................... 105 Figura 6.3.11 - Fração de partículas queimadas nos métodos de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. ......................................................................................................................... 106 Figura 6.3.12 - Fração volumétrica do combustível em (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24.Corte transversal distante 1m da saída da ventaneira. Medidas em milímetros. ............................. 107 Figura 6.3.13 - Evolução do espalhamento com o distanciamento da ventaneira. ............................. 108 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais ix Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos LISTA DE TABELAS Tabela 3.3.1 - Distribuição geográfica dos altos-fornos com ICP em 2008 ......................................... 28 Tabela 3.4.1 - Diferentes Correlações para velocidade mínima de transporte de partículas ................. 45 Tabela 4.3.1 - Constantes do modelo de turbulência k-ε .....................................................................54 Tabela 4.4.1 - Regimes em função do número de Reynolds ............................................................... 58 Tabela 5.1.1 - Dados para simulação .................................................................................................77 Tabela 5.2.1 - Condições de contorno para simulação computacional ................................................ 84 Tabela 5.2.2 - Análise do carvão pulverizado injetado na simulação computacional........................... 84 Tabela 6.2.1 - Área superficial de espalhamento do carvão pulverizado. ............................................ 94 Tabela 6.3.1 - Principais Condições de Simulação. ............................................................................ 98 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais x Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos LISTA DE NOTAÇÕES dp - Diâmetro da partícula rp Dt - Raio da partícula Diâmetro do Tubo f fs CD ρ ρp ν µ - Coeficiente de fricção estática entre partícula e parede Coeficiente de Fricção entre a partícula e a superfície Coeficiente de Arraste Densidade do gás de arraste Densidade da partícula Viscosidade cinemática do gás Viscosidade dinâmica U Upuo Upu Ar Re Rep ReD Fr Fg Fa Fl Fb K - Velocidade do fluido Velocidade mínima de movimento das partículas Velocidade mínima de transporte das partículas Número de Archimedes Número de Reynolds Número de Reynolds para a Partícula Número de Reynolds para escoamento em tubo Número de Froude Força Gravitacional Força de adesão Força de sustentação Força de flutuação Constante para sustentação da partícula Ω δ δdes δsusp δrot Γ - Magnitude do gradiente de velocidade Sub-camada laminar Sub-camada laminar de deslizamento Sub-camada laminar de suspensão Sub-camada laminar rotacional Energia de superfície Módulo de Young composto Posição espacial Tempo Aceleração Variação de entalpia padrão - Aceleração da gravidade Constante de Hamaker K X T A 0 H 298 g AH REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais xi Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos s t Sm m p Iu U rT h htot Yi Ri Ji Si k ε µt Cµ, Cε1,Cε2,σk, σε Pkb Pεb FD FB FR FUm Fp T QC QM QR Uf U'f τe le AF Up Φ Vm Ch Z1, Z2 y1, y2 Cs - Espaço entre a partícula e a parede Tempo Massa adicionada a fase contínua Massa Operador nabla Tensor Tensão - Pressão Estática Tensor Unitário Efeito da dilatação volumétrica - Entalpia estática Entalpia total Espécie química i Taxa de produção de uma espécie química i Fluxo de difusão da espécie i Taxa de criação e adição da fase dispersa Energia cinética turbulenta Dissipação turbulenta Viscosidade turbulenta Constantes do modelo de turbulência Força de flutuabilidade Produção turbulenta devido forças viscosas Força de Arraste Força de flutuabilidade devido a gravidade Força de Rtoação do domínio Força de massa adicionada Força de gradiente de Pressão Temperatura Transferência de calor por convecção Transferência de calor associado a massa Transferência de calor radiativo Velocidade instantânea do fluido Componente flutuante da velocidade instantânea do fluido Duração do vórtice turbulento Comprimento característico do vórtice turbulento Área da seção transversal efetiva da partícula Velocidade da partícula Variável escalar Fração mássica do material volátil Carvão residual queimado Constantes de reação Rendimento real de voláteis Coeficiente de aumento REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais xii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos D0,p ṁref mref Xg Xs Tp Tg pa Dref Tref w kd mc ρ͚ k1, k2, k3 kc I n εp σ fr Im Ws - Diâmetro da partícula no início da desvolatização Taxa de variação do material de referência Massa do material de referência inicial Fração molar de oxigênio nos gases do forno Fração molar de oxigênio na superfície da partícula Temperatura da partícula Temperatura do gás Pressão atmosférica Difusividade Dinâmica Temperatura de referência Constante do modelo de reação de Field Taxa de difusão de oxigênio Massa de carbono Campo de concentração de oxigênio Taxa de difusão interna Taxa de oxidação de carbono Intensidade de radiação Índice de refração do fluido Emissividade da partícula Constante de Stefan-Boltzmann Campo fracionado de voláteis Componente de concentração molar dos reagentes Vazão de partículas Sólidas REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais xiii Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos RESUMO A injeção de materiais pulverizados em altos-fornos tem se consolidado cada vez mais como uma ótima opção para redução de custos, aumento de produtividade sempre atendendo as condições ambientais. Dessa forma, este trabalho apresenta o estudo da utilização do sistema de estabilização de chama por rotação desenvolvido para promover uma maior pulverização do carvão na região de combustão, diminuindo perdas e aumentando a eficiência do equipamento. Foi utilizado um modelo físico para avaliar o espalhamento do combustível pulverizado sem combustão e posteriormente comparado com resultados numéricos para a mesma escala. Após apurar os dados, foi adicionado à simulação computacional um modelo de combustão, utilizando dimensões aproximadas de um alto-forno de 700 toneladas por dia, e avaliado os campos de temperatura, velocidade, espécies químicas e também o monitoramento das partículas. A comparação dos resultados mostraram que o sistema de injeção de Lança Dupla promove melhor espalhamento quando comparado ao sistema de Lança Simples. Os sistemas de injeção propostos no trabalho, com números de torção 0.12 e 0.24 promoveram melhor espalhamento e distribuição de temperatura na zona de combustão, sendo este último apresentando melhor desempenho quando comparado aos demais sistemas de injeção. Palavras chave: Alto-forno, ICP, Ventaneira. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais xiv Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos ABSTRACT Injection of powdered materials in blast furnaces has consolidated more and more like a great option for reducing costs, increasing productivity always given environmental conditions. Thus, this paper presents the study of the use of the stabilization system calls per rotation designed to promote greater fragmentation of coal combustion in the region, reducing losses and increasing the efficiency of the equipment. Physical model was used to evaluate the scattering of pulverized fuel combustion and further compared with numerical results to the same scale. In the second step a combustion model was added to the numerical simulation, utilizing dimensions of a blast furnace of 700 tons per day, and assessed the fields of temperature, velocity, chemical species and also monitoring of the particles. The results showed that the double lances injection systems promotes better particle scattering when compared to the simple lance system. The proposed injection systems at work, with torsion numbers 0.12 and 0.24 promoted better scattering and temperature distribution in the raceway zone, the latter showing better performance when compared to other injection systems. Keywords: Blast furnace, PCI, Tuyere. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais xv Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 1. INTRODUÇÃO A injeção de materiais pulverizados através das ventaneiras dos altos-fornos tem sido de grande importância para o setor siderúrgico. Atualmente o carvão pulverizado tornou-se um combustível complementar muito importante por gerar calor e como redutor na substituição de coque metalúrgico, para reduzir o custo operacional, estabilizar a operação do forno e diminuir a emissão de dióxido de carbono. Entretanto, como o aumento da taxa de injeção de carvão pulverizado (ICP), cresce também o percentual de carvão não queimado. Este material não queimados atravessa o limite da zona de combustão e é transportado para dentro da fornalha, diminuindo a permeabilidade das imediações de coque, podendo até comprometer a estabilidade do forno. Neste cenário, o desejável é uma maior quantidade possível de carvão queimado na zona de combustão, visto que a maioria dos altos-fornos atualmente injetam carvão pelas ventaneiras. O desenvolvimento e expansão da tecnologia de injeção de carvão pulverizado (ICP) vem ocorrendo intensivamente em todo o mundo. Atualmente, mais de 400 fornos no mundo e mais de 30 fornos no Brasil utilizam o processo de injeção de carvão pulverizado. Na busca por maiores taxas de injeção sem que a estabilidade do forno seja comprometida, diversos mecanismos são testados continuamente, desde mistura de carvões, injeção de combinados de carvão com novos materiais como pneus, casca de arroz, bagaço de cana-deaçúcar, até mesmo projetos de injeção com lanças duplas, co-axiais e injeção de gases combustíveis. A presente contribuição técnica apresenta uma pesquisa física e numérica da comparação de quatro diferentes tipos de injeção de combustível pulverizado em altos-fornos. Destaca-se ainda as vantagens de se utilizar um sistema de rotação na injeção de ar em ventaneiras para promover uma maior mistura do ar com o carvão pulverizado na zona de combustão. Busca-se através do modelo físico e computacional reproduzir, de forma gráfica os resultados obtidos com diferentes conceitos e apresentar as principais características dos sistemas estudados. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 16 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Principal Avaliar através de simulações físicas a frio e numéricas a frio e com combustão, o efeito da utilização de torção do ar aquecido nas ventaneiras de altos-fornos buscando melhorar a pulverização de combustíveis na zona de combustão. 2.2 Objetivos Específicos Comparar a dispersão de sólidos em quatro diferentes configurações de injeção de combustíveis em ventaneiras através da simulação física e computacional; Utilizar ferramenta computacional para avaliar o perfil de escoamento e temperatura dos gases no interior da zona de combustão; REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 17 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Processo de produção de Gusa A siderurgia vem crescendo a passos largos no cenário mundial, e no Brasil não é diferente. A produção de aço bruto no cenário brasileiro ultrapassou os 33 milhões de toneladas em 2010. Segundo Instituto Brasileiro de Siderurgia, o país ultrapassou os 30 milhões de toneladas de ferro-gusa produzido em 2010, onde somente as usinas integradas representam mais de 80% desse total, sendo os quase 20% restantes representados pelos produtores independentes de gusa (1). Mesmo diante do cenário de crescimento atual, novos processos de produção de ferro primário vêm sendo amplamente estudados buscando sempre a redução de emissões e de custos do processo. Embora essas novas rotas sejam vastamente exploradas, o alto-forno ainda se destaca como o principal meio para obtenção do ferro gusa no mundo. Dentre as inúmeras tecnologias existentes e estudadas, destacam-se os sistemas Corex, Finex, Tecnored e Hismelt. 3.2 Alto-Forno O alto-forno é um reator industrial muito utilizado na produção de ferro gusa, matéria prima empregada para obtenção do aço e ferro fundido. O ferro gusa é uma liga obtida no estado líquido contendo 92 a 95% de ferro, 3 a 4,5% de carbono e outros elementos. As matériasprimas utilizadas basicamente são compostas pela carga metálica (minério de ferro, pelotas ou sínter), combustível (Coque ou Carvão Vegetal) e fundentes (Calcário, Dolomita e Quartzo) (2; 3) Seu princípio fundamental é reduzir os minérios ferrosos pela passagem de um elemento redutor em contra corrente, que será o CO ou H2 ou carbono, sendo que as reações ocorrem em regiões específicas, de modo que uma descrição dos componentes do alto-forno será apresentada para uma melhor compreensão (4). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 18 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Já a estrutura interna do alto-forno bem como o perfil de movimentação da carga tem sido estudada desde o inicio do século XX. Durante os anos subseqüentes técnicas operacionais tais como temperatura de sopro, enriquecimento de oxigênio, pressões de operação, prétratamento de matéria prima, injeção de combustíveis auxiliares entre outras, vem sendo desenvolvidas com o objetivo de aumentar a produtividade desse equipamento (5). O maior avanço desses estudos e para o conhecimento do perfil interno dos altos-fornos se deu a partir de experiências de dissecação desse reator realizadas pelos japoneses na década de 70 e pelos russos na década de 60. Durante os estudos, notificou-se pela primeira vez a respeito da presença de uma zona de amolecimento e fusão no interior do forno, ficando evidenciada a partir dessa época a importância dos estudos da estrutura interna do alto-forno (3; 6). O principal resultado da dissecação dos fornos foi a determinação da sua estrutura interna, sendo observadas cinco zonas distintas dentro desses fornos, conforme mostra a Figura 3.2.1. Essas zonas são descritas a partir do carregamento da matéria-prima no topo do reator, e são classificadas da seguinte maneira: Zona Granular: Onde a carga metálica, o material redutor e os fundentes, acomodados em camadas alternadas descem sólidos em contra corrente com os gases. Nessa primeira zona, o gás aquece o material retirando-lhe a umidade; Zona de Amolecimento e Fusão: A maior temperatura do gás eleva o aquecimento interno do forno, e já alguma reação de Fe2O3 → Fe3O4 já começa a ocorrer, iniciando também a decomposição de carbonatos. Esta região é formada por camadas alternadas de combustível/redutor e carga metálica semi-fundida; Zona de Coque Ativa: Região onde a escória e o metal já fundidos gotejam através do empilhamento de carvão em contra corrente com os gases provenientes da região das ventaneiras; Zona de Combustão: Cavidade altamente turbulenta em frente às ventaneiras onde ocorre a combustão do ar injetado com o combustível. Apesar de seu volume pequeno quando comparado com o volume do alto-forno, esta é uma região de extrema importância, pois é nessa região que a maior parte do combustível sólido é consumido, REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 19 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos produzindo os gases redutores aquecidos responsáveis pelo aquecimento, redução e fusão da carga metálica; Zona de Coque Estagnante: Composta por uma coluna de coque em contato com o ferro-gusa e escória líquidos, chamado de homem-morto. Esta região é consumida muito lentamente através da dissolução do carbono no ferro líquido. Figura 3.2.1 - Esquema das regiões internas do alto-forno (Adaptado de Fernandes (3)). O ar pré-aquecido é insuflado pelas ventaneiras com temperaturas próximas a 1000oC e reage com o coque na zona de combustão, estabelecendo uma taxa de consumo de coque. O ar injetado encontra o coque aquecido a temperaturas próximas a 1500 oC iniciando a reação de REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 20 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos formação do dióxido de carbono (CO2), altamente exotérmica. Por sua instabilidade acima de 1000oC, o carbono do coque reage rapidamente com o dióxido de carbono, formando o monóxido de carbono (CO), reação esta conhecida como Solution loss ou de Boudouard. O fluxo ascendente de gás redutor em alta temperatura irá trocar calor com a carga, determinando as isotermas no interior do alto-forno. As temperaturas de 2000oC na parte inferior do reator fundirão o ferro já reduzido e a escória, aquecendo-o às respectivas temperaturas de vazamento (4; 6; 7). As principais reações são: C + O2(ar) → CO2 0 H 298 94,3kcal (3.2.1) CO2 + C → 2CO 0 H 298 41,1kcal (3.2.2) 2C + O2 → 2CO 0 H 298 53,2kcal (3.2.3) A umidade do ar injetado também influencia na região de combustão, pois o H2O reage com o carbono do coque, resultando nos gases redutores CO e H2. Embora essa última seja uma reação endotérmica que proporciona um efeito refrigerante na temperatura de chama, este poderá eventualmente participar da redução da Wustita (FeOx) em Fe durante o processo (6; 7). C + H2O(ar) → CO + H2 0 H 298 20,2kcal (3.2.4) A variação de calor ao longo das regiões do alto-forno favorece uma série de reações químicas que ocorrem nesses níveis. O perfil de temperatura, mostrado na Figura 3.2.2, foi obtido pela primeira vez através de sondagens de sólidos líquidos e gases no interior do forno, e que assume regiões características distintas, sendo uma zona superior de intensas trocas térmicas de pré-aquecimento (30 a 800oC), uma zona intermediária de baixas ou nenhuma troca térmica, também chamada de zona de reserva química, onde Fe, FeO, CO e CO2 estão em equilíbrio (800 a 1000ºC), e por fim, a zona inferior de fusão, que possui temperaturas da ordem de 900 oC a 1500 oC (3; 4; 6). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 21 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A redução do minério de ferro, que de modo geral se encontra na forma de óxidos, pode ocorrer de duas formas, redução indireta e redução direta. A redução indireta ocorre entre o minério a partir da hematita (Fe2O3) e o gás redutor (CO), são levemente exotérmicas com exceção da equação (3.2.6) onde o produto dessa reação é o CO2 (4; 6). Assim, as reações de redução indireta são descritas da seguinte forma: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 0 H 298 10,31kcal (3.2.5) Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 0 H 298 7,75kcal (3.2.6) FeO + CO → Fe + CO2 0 H 298 3,9kcal (3.2.7) Figura 3.2.2 - Regiões de distribuição de temperatura de gás e sólidos ao longo da altura do alto-forno (3) . REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 22 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Já as reações que se processam em temperaturas acima de 900 oC, chamadas de reações diretas, são endotérmicas de modo que evoluem com o aumento de temperatura. Devido à condição de aquecimento da carga e redução pelo CO, basicamente não há ocorrência da redução direta dos óxidos Fe2O3 e Fe3O4. Já a redução do FeO, devido as temperaturas envolvidas ocorre na região mais inferior da cuba. Essa reação ocorre entre o minério de ferro e o redutor carbono, como mostrado a seguir (4): Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO 0 H 298 116,94kcal (3.2.8) Fe3O4 + 4C → 3Fe + 4CO 0 H 298 161,12kcal (3.2.9) FeO + C → Fe + CO 0 H 298 37,88kcal (3.2.10) Para minimizar as necessidades térmicas do alto-forno é vantajoso que as reações indiretas prevaleçam, já que geram calor, diferentemente das reações diretas, que além de absorver calor, consomem também o carbono necessário para a reação de Boudouard (7). No interior do alto-forno também ocorrem outras reações além da redução do minério de ferro, principalmente na região inferior, onde há interação do metal com a escória e gás em alta temperatura. A redução do silício ocorre em frente à ventaneira onde a temperatura é elevada. A incorporação do enxofre é outra importante reação, que ocorre nas regiões de alta temperatura. Outras reações como a redução do manganês, fósforo e também a reação entre o metal e a escória também ocorrem dentro do alto-forno (4). 3.2.1 Descrição dos Equipamentos Alto-Forno Para melhor compreensão dos fenômenos e reações que ocorrem em seu interior, uma breve descrição dos seus componentes deve ser apresentada. A Figura 3.2.3 mostra um corte esquemático das partes do alto-forno, que se divide em cinco (4; 8): REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 23 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Topo: Parte superior do forno onde se localizam os dispositivos de carregamento e saída dos gases; Goela: Parte superior cilíndrica; Cuba: Parte cônica que representa a maior porção do alto-forno. Nesta região entre gases e sólidos é que se concentram as principais reações; Ventre: Parte vertical que divide a rampa da cuba. Nesta região, os gases se expandem e se distribuem através da zona de coesão. Alguns altos-fornos não possuem essa parte; Rampa: Região imediatamente acima das ventaneiras, onde se tem a combustão do coque e a raiz da zona de coesão; Cadinho: Consiste na região desde a sola até a região das ventaneiras. Nesta região o material líquido se acumula antes de ser vazado. Figura 3.2.3 - Corte esquemático da estrutura do alto-forno (Adaptado de Castro e Tavares (8)). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 24 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A carcaça possui diferentes tipos de materiais, como o revestimento refratário e sistemas de refrigeração no corpo para proteção do equipamento, tais como os Staves, que são caixas de refrigeração instaladas nas paredes dos altos-fornos, entre a carcaça e o revestimento refratário que possuem canais ou tubulações internas por onde passa a água de refrigeração da carcaça; placas refrigeradas, instaladas entre a carcaça e o revestimento refratário e chuveiros, que são aplicados nas paredes e tubulação de água na soleira (4). Limpeza de gás O alto-forno gera grande quantidade de gases e pós durante sua operação, sendo que os principais CO2, CO, H2 e N2 podem ser reaproveitados. Dessa forma o sistema de limpeza retira os pós em suspensão e prepara o gás para reutilização. Dentre os equipamentos utilizados, as configurações mais comumente utilizadas são o balão de pó, que retira o pó mais grosso através de separação por gravidade; o Venturi Scrubber, que consiste em um lavador de gás em água; e os precipitadores eletrostáticos, que retiram os pós mais finos (4). Regeneradores O aquecimento do ar é uma boa medida para reduzir o consumo de combustível aumentando o rendimento da combustão. Os regeneradores de calor foram adotados então como forma de elevar a temperatura do ar de entrada insuflado pelas ventaneiras a até 900 oC em antigos aquecedores chamados Glendons e a até 1300oC em modernos regeneradores, chamados de Cowpers. Para um bom funcionamento utiliza-se sempre 3 ou 4 regeneradores, sendo 2 utilizados em combustão e 1 ou 2 em sopro (4). Sistema de pesagem e carregamento A alimentação de materiais no alto-forno é feita utilizando o sistema de carregamento em lotes pré-definidos, normalmente separados em coque e minério (sínter, pelotas ou minério). Para a formação desse lote, pesam-se os materiais que o compõe e armazena-os num silo de espera, chamado de Surge Hopper, até o momento de enviá-los ao topo. Em altos-fornos mais modernos, onde é grande a quantidade de carga manuseada, conta-se com tremonha de pesagem em cada silo de matéria-prima e correias transportadoras para o transporte (4). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 25 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Topo do Alto-forno Após a pesagem e o peneiramento do material, este é direcionado para o alto-forno. Como o interior do equipamento é isolado do exterior para evitar que o vazamento do gás de altoforno para a atmosfera, câmaras de isolamento são adotadas em topo de altos-fornos. O sistema mais adotado até então é o duplo cone – válvula selo, embora com a popularização dos altos-fornos tipo Bell less, as câmaras passarão a ser as Top Bunker’s com válvulas selo superior e inferior. Casa de Corrida O escoamento do material reduzido e fundido é feito pelos furos de gusa e de escória. O furo de gusa é aberto por meio de perfuradores, sendo o gusa conduzido até as panelas e carros torpedo pelos canais de corrida. Após o esgotamento, o furo de gusa é fechado através do canhão obturador (4) . O gusa é separado da escória no canal principal por diferença de densidade. O canal de escória conduz a escória até os granuladores, poços de escória ou panelas, dependendo do layout de cada usina. Os granuladores de escória são os maios mais comuns de tratar a escória. Sobre a escória líquida é jogada água com alta pressão e vazão, granulando-a. essa escória granulada pode ser utilizada como matéria prima para a indústria de cimento após decantação ou desidratação. O poço de escória bruta é outro meio comum, onde a escória líquida é despejada em grandes poços e então resfriada lentamente com água. Essa escória depois de retirada por tratores e caminhões, pode ser utilizada em substituição de brita para calçamento, rodovias e ferrovias. A Figura 3.2.4 mostra imagem aérea de uma planta industrial e de alguns dos principais equipamentos do alto-forno. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 26 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 3.2.4 - Imagem de uma planta do alto-forno (9). 3.3 Injeção de Combustíveis Auxiliares Os primeiros indícios da injeção de materiais pulverizados em altos-fornos datam de 1831, quando um grupo inglês registrou uma patente para a injeção de carvão Pulverizado (ICP) (2). A partir daí, algumas outras pesquisas começaram a surgir, e foi em 1840 na França que aconteceu a primeira injeção de carvão em pó numa tubulação de vento, feita por Corbin d’Arboissiéres, conseguindo uma economia de 10% de carvão no topo e funcionando por 5 anos (10). No Brasil, as pesquisas mais recentes ocorreram em 1976, quando então a empresa ACESITA, hoje APERAM, implantou o sistema de ICP após estudo de viabilidade técnicoeconômico (2) . Experiências com altas taxas de injeção de carvão pulverizado, acima de 200kg/t de gusa em altos-fornos vem também sendo feitas no processo de fabricação de ferrogusa (11). Atualmente a Usiminas, situada em Ipatinga-MG, trabalha com injeção conjunta de carvão pulverizado e gás natural, devido à disponibilidade do gás na região e ao interessante preço do gás canalizado. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 27 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 3.3.1 Injeção de Carvão Pulverizado Devido seu baixo custo e grande disponibilidade, o óleo e o gás natural apareceram como os principais combustíveis a partir dos anos 50, sendo a injeção do óleo logo inviabilizada pela crise do petróleo e por problemas ambientais. O carvão pulverizado seja mineral ou vegetal é utilizado largamente no Brasil na injeção de combustíveis/redutores nas ventaneiras dos altosfornos (9) . O carvão mineral ainda se destaca como o principal combustível injetado nas ventaneiras dos grandes altos-fornos, sendo que suas propriedades, as condições de combustão e os equipamentos utilizados afetam diretamente o desempenho dos carvões (12) injetados em altos-fornos mostra a Tabela 3.3.1 . Atualmente mais de 500 altos-fornos utilizam o ICP como (2; 13) . Tabela 3.3.1 - Distribuição geográfica dos altos-fornos com ICP em 2008 (2). País/Região Número de Altos-Fornos com ICP EUA 15 Japão 30 China 342 Coréia 5 Taiwan 3 Índia 12 Rússia 18 Europa 52 Outros 10 Brasil 40 Total 527 Outros materiais já vêm sendo noticiados na literatura, como por exemplo, carvão vegetal, mistura de carvões, pré-aquecimento de carvões, injeção de plásticos, injeção de pneus, injeção de minérios, gases e outros (10) . O uso de materiais pulverizados, especialmente o REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 28 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos carvão, como substituição de parte do combustível do alto-forno, proporciona economia de redutor, ou seja, redução do custo do gusa, mantendo a estabilidade do operacional do forno. A Figura 3.3.1 ilustra a relação entre o consumo de carvão pulverizado e o consumo específico de carvão coque rate (14). Figura 3.3.1 - Consumo específico de carvão versus taxa de injeção de carvão pulverizado (14). A ampla tendência de injeção de carvão pulverizado em ventaneiras no mundo vem ocorrendo devido à intensa busca pela maximização das taxas de injeção (PCR) (15) . O aumento das taxas de injeção se deve além do custo, aos benefícios operacionais e ambientais (16). A Figura 3.3.2 mostra esquematicamente o conjunto de sopro e injeção de carvão pulverizado do altoforno. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 29 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 3.3.2 - Conjunto de sopro e injeção de carvão pulverizado em alto-forno (16). O ICP ainda influencia no melhor controle térmico do alto forno, na queda da temperatura de chama e na redução da permeabilidade da carga (17). O controle térmico se deve pela reserva interna de energia, que absorve flutuações operacionais e que devido à injeção de carvão pulverizado pelas ventaneiras facilita a correção de desvios através de alterações nas taxas de injeção. A queda da temperatura por sua vez se deve pela temperatura do carvão injetado. No momento da injeção, o carvão pulverizado, que é sempre injetado a temperaturas próximas a ambiente, substitui o coque ou carvão vegetal da carga que possui temperaturas próximas a 1500oC. Dessa forma, há uma redução nas entradas de calor, e estima-se por balanços térmicos que cada 1kg de carvão pulverizado injetado por tonelada de gusa provoca uma redução de 2 oC na temperatura de chama (17). Por último a redução da permeabilidade da carga pode ser atribuído às características da distribuição da carga. Considerando que o combustível é mais permeável que a carga metálica, atribui-se que ao diminuir a quantidade de combustível carregado pela taxa de substituição, a permeabilidade do alto-forno tende a diminuir. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 30 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 3.4 Transporte Pneumático Atualmente, muitas técnicas de transporte são utilizadas na indústria. Uma importante técnica utilizada no transporte de materiais em indústrias siderúrgicas é o transporte pneumático. Esse método de deslocamento de material se diferencia dos demais por movimentar uma vasta variedade de materiais particulados utilizando como mecanismo principal a força de um fluido gasoso através de tubulações ou canalizações. Embora pesquisas arqueológicas relatem que o homem já utilizava técnicas de movimentação de materiais através de fluidos desde os tempos remotos, o domínio desse tipo de transporte e sua aplicação têm início apenas no começo do século XX (2; 18; 19; 20). O transporte pneumático consiste em transportar materiais pela diferença de pressão do ar ou por vácuo. Esta técnica de transporte por escoamento vem se tornando uma ferramenta muito utilizada em diversos ramos da indústria por permitir o transporte desde particulados finos como poeira até aqueles de granulometria mais grosseira com diferentes propriedades físicas e químicas. Os principais mecanismos de transporte pneumático ocorrem em tubulações verticais, horizontais ou inclinadas, pela corrente de gás gerada por ventiladores, compressores ou sopradores específicos (2; 20; 21). Atualmente, os materiais mais comumente transportados pelo processo pneumático são alimentícios, como: arroz, feijão, trigo e a aveia; farmacêuticos, como a penicilina e a eritromicina; polímeros como o polietileno, o polipropileno, poliestireno e o polivinil e materiais sólidos diversos como serragens, algodão, papel, cimento, areia, açúcar, café, coque e carvão, tornando esse sistema muito versátil (20; 22). O processo de transporte pneumático se destaca de outros tipos de transporte de materiais por oferecer maiores condições de segurança, como atmosfera mais limpa e menor risco de acidentes. A Figura 3.4.1 mostra algumas faixas de utilização de alguns tipos de sistemas de transporte, relacionando capacidade do produto pela distância a ser transportado (21). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 31 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 3.4.1 - Capacidade do produto (ton/h) em função da distância transportada (km) (20). As operações de sistemas de transporte pneumáticos são influenciadas por uma série de parâmetros que devem ser observados. Quando um fluido escoa em baixa vazão um leito de partículas, este apenas percola os espaços entre as partículas sem arrastá-las, caracterizando um leito fixo. A velocidade do fluido de transporte influência o desempenho do sistema, juntamente com sua eficiência econômica em grandes extensões de transporte. Um leito contendo partículas estacionadas pode ser fluidizado, iniciando sua movimentação quando um gás é introduzido pela base da tubulação. Segundo Cardoso et al. (18) apud Grace et al. (1997), para que isso aconteça, uma velocidade mínima de fluidização (Umf) é necessária para que as partículas estacionárias sejam arrastadas pelo fluido, delimitando a transição entre leito fixo e fluidizado (23). Velocidades de transporte muito elevadas podem exigir grande gasto de energia, promover forte atrito das partículas e causar uma erosão prematura do equipamento (24; 25). Da mesma forma, sistemas que operem com velocidades de transporte abaixo da mínima necessária podem sofrer com operações instáveis e possíveis bloqueios e entupimentos da rede (23; 24; 26). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 32 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Dasani et al. (24) ainda relatou em suas pesquisas o efeito de algumas variações físicas, como tamanho da partícula, forma e comportamento eletrostático na velocidade mínima de transporte de partículas menores que 100µm. 3.4.1 Velocidade Mínima de Transporte Como um importante parâmetro no transporte pneumático, a velocidade mínima de arraste das partículas tem que ser bem aproximada para que o sistema de transporte seja otimizado. Para que se obtenha uma boa estimativa dessa velocidade, alguns pesquisadores direcionam seus estudos nas forças dominantes que atuam na partícula a ser fluidizada. A Figura 3.4.2 detalha as principais forças atuantes em uma partícula em repouso sobre uma placa plana em um fluxo de velocidade (U) apresentado por Hayden et al. (23). Figura 3.4.2 - Forças atuantes em uma partícula em repouso sobre uma placa plana (23). O transporte pneumático pode ser classificado em duas grandes categorias: diluída e densa (2; 20; 27; 28) . A utilização dessas duas fases depende da necessidade do transporte. A fase diluída, também conhecida como fase de baixa pressão, utiliza pressão de ar inferior a 1bar e REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 33 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos velocidades de arraste de aproximadamente 13m/s no início do sistema podendo chegar a 30m/s no final da linha, concentrações de sólidos menores que 1% em volume e perda de carga menor que 1bar. Neste modo de transporte as partículas sólidas se comportam como uma partícula individual, completamente suspensa num gás onde as forças aerodinâmicas locais governam seu movimento. Na fase densa as partículas preenchem totalmente o tubo, sendo transportadas de forma semelhante à extrusão, onde as velocidades variam de 0,25m/s no início da linha até 2,5m/s no final da linha e a variação de pressão fica próximo a 3bar. Neste tipo de transporte, as partículas não são completamente suspensas e colisões partícula-partícula determinam o movimento entre elas. Esse tipo de transporte é comum em setor alimentício, farmacêutico e produtos de alta densidade e abrasão (27; 28; 29) . A Figura 3.4.3 exemplifica de forma esquemática os principais tipos de transporte pneumático descritas por Fokeer et al. (28). Figura 3.4.3 - Diagrama do gradiente de pressão versus a velocidade superficial do gás para a fase densa e diluída (28). Para o transporte pneumático, diferentes tipos de regimes são encontrados quando a velocidade do gás de arraste varia. De acordo com Cabrejos e Klinzing (30; 31) , se em um regime homogêneo completamente desenvolvido a velocidade for diminuindo diferentes REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 34 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos condições podem aparecer no fluxo. Para altos números de Reynolds, as partículas são homogeneamente dispersas e sustentadas pela fase gasosa, se movendo na mesma direção do gás. Também podem existir fluxos não homogêneos em tubos horizontais devido à força gravitacional. A Figura 3.4.4 mostra os diferentes tipos de regimes observados por Cabrejos and Klinzing (31) em seus experimentos. Diversos materiais foram utilizados, como por exemplo, polímeros com diâmetro médio de 3mm e esferas de alumina e vidro, com diâmetros de aproximadamente 450µm . É importante ressaltar que, a transição entre regimes não é um fenômeno claro. Algumas vezes é possível observar dois ou mais regimes simultaneamente no fluxo. Figura 3.4.4 - Regimes de transporte pneumático de fase diluída gás-sólido em tubo horizontal (Adaptado de Cabrejos e Klinzing (31)). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 35 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Os regimes de transporte pneumático relatados por Cabrejos e Klinzing (31) foram os seguintes: - Fluxo Homogêneo: É um fluxo de uma suspensão de gás com dispersão uniforme das partículas ao longo da seção transversal do tubo. Segundo os autores, esse regime foi observado somente em altos valores de Reynolds e baixas concentrações de partículas. - Fluxo Estratificado: Uma segregação de duas fases com alta concentração de partículas próximo ao fundo do tubo. - Fluxo em Pulsos: Formação de coleções de partículas fracamente coladas em intervalos periódicos. Algumas vezes chamados de “pacotes”, enquanto outras partículas viajam entre esses pacotes. - Movimento de Dunas: Formação de conjuntos densos de partículas ou “dunas” quase deslizando pelo fundo do tubo. As partículas estão muito segregadas e continuam a se mover ao longo do tubo com velocidade próximo a zero. Se a velocidade diminuir ainda mais, as partículas mais próximas do fundo podem depositar formando dunas. Essa condição, conhecida também como “velocidade de salto” representa o caso limite do transporte de sólidos de fase diluída em tubos horizontais. - Sopro de Dunas: Quando o regime possui velocidades abaixo da velocidade de salto, ocorre a formação de dunas depositadas no fundo do tubo proveniente da queda de partículas em suspensão. Essas dunas se movem ao longo do fundo do tubo devido a constante erosão das partículas da superfície das dunas e acumulo de outras partículas de baixa velocidade. - Dunas Estáveis: Formação de dunas estacionárias depositadas no fundo do tubo com velocidade zero, enquanto as demais partículas são carregadas no todo dessas dunas. - Camada Estável: Formação de longas dunas depositadas ao longo do tubo horizontal devido a queda das partículas em suspensão. Normalmente formadas por uma série de dunas estacionárias que combinadas formam uma camada contínua depositada no fundo do circuito, combinada com uma camada fluida de transporte de partículas. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 36 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos O risco de entupimento pode ocorrer, caso um equilíbrio não é alcançado. Caso o número de Reynolds continue diminuindo até a uma condição de fluxo abaixo da camada estável, não será possível observar um fluxo gás-sólido, onde as partículas se acumularão cada vez mais no fundo do tubo, causando o bloqueio total e o entupimento do tubo (31). Cabrejos e Klinzing (30) desenvolveram em seus estudos um modelo para a velocidade mínima de uma partícula que se encontra inicialmente depositada em um tubo horizontal. Eles assumem que se a partícula desenvolver e alcançar o regime de transporte contínuo, essa partícula alcançou o equilíbrio de forças na direção horizontal. Os autores encontraram que, para partícula única e grande, a equação (3.4.1) fornece a velocidade mínima a partir da qual uma partícula individual começa a se mover sobre uma superfície: U puo dp 1 Dt 1 .5 4 f s gd p 3 C D p (3.4.1) Onde dp é o diâmetro da partícula, Dt representa o diâmetro do tubo, fs é o coeficiente de fricção entre a partícula e a superfície, CD é o coeficiente de arraste, ρ e ρp é a densidade do gás e da partícula respectivamente. Já para uma partícula única pequena, a equação (3.4.2) indica a velocidade mínima para o movimento sobre uma superfície: dp 1.54 x10 4 1 Dt 1.5 2 U 7puo C D d p 4 3 D t 1 2 1 21 8 U puo 3 3 6 3 f s gd p p 1.302x10 d p 6.35x10 d p 5 3 6 Dt (3.4.2) Onde ν é a viscosidade cinemática do fluido. Baseado nesses resultados, eles desenvolveram uma correlação semi-empírica onde se pode determinar a velocidade mínima de transporte de uma camada de partículas variando entre 10 a 1000µm, demonstrada pela equação (3.4.3): REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 37 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos U pu 1 1 1 3 3 1.27 Ar 0.036 Ar 0.45 0.70 Ar 5 1U puo (3.4.3) Onde Ar (Número de Archimedes) é encontrado pela seguinte equação: 3 Ar gd p p 2 (3.4.4) Kalman et al. (25) encontraram em suas pesquisas que, para alguns materiais, um crescimento linear da velocidade mínima de transporte à medida que o diâmetro da partícula aumenta. Porém, alguns materiais possuem um comportamento diferente, quando o diâmetro da partícula aumenta. A Figura 3.4.5 mostra a velocidade mínima em função do tamanho da partícula encontrado por esses autores. Figura 3.4.5 - Velocidade mínima de transporte em função do tamanho da partícula (25). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 38 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Para partículas muito pequenas, forças coesivas são predominantes e devem ser vencidas para que as partículas sejam arrastadas. Kalman et al. (25) também relataram influência da variação do diâmetro do tubo na medida da velocidade mínima de fluidização. A fim de tornar os resultados experimentais mais significativos, grupos adimensionais que controlam a velocidade mínima de arraste foram apresentados por Cabrejos e Klinzing (31) . Eles encontraram que a velocidade mínima é adequadamente descrita pelos números de Reynolds e Froude, como mostra a seguir: Força Inercial ForçaVis cos a (3.4.5) ForçaInercial ForçaGravidade (3.4.6) Re ynolds Froude Portanto, Kalman et al. (25) apresentaram uma correlação entre o número de Reynolds e o número de Archimedes, descrevendo todos os resultados de sua pesquisa de forma simples e com resultados considerados excelentes. As correlações empíricas descrevem a velocidade mínima de arraste por meio de parâmetros importantes, como diâmetro e densidade da partícula, tamanho da seção de condução e densidade do fluido. Segundo Kalman et al. (32), a relação segue: Re p Ar U pu d g p d 3 2 Rep 2.66 Ar 0.474 (3.4.7) (3.4.8) (3.4.9) REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 39 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Um modelo muito interessante foi apresentado por Hayden et al. (23). Os autores relataram que para alcançar a velocidade mínima de arraste, as forças verticais atuantes nas partículas devem se anular, conforme mostra a equação (3.4.10). Fg + Fa = Fl + Fb (3.4.10) Onde o somatório das forças gravitacionais Fg e da força de adesão Fa devem ser iguais às forças de sustentação Fl e de flutuação Fb. Ainda segundo Hayden et al. (23) e Kalman et al. (25) , para um aglomerado de partículas, Fa representa todas as forças atrativas atuantes entre as partículas, como forças eletrostáticas, forças de empuxo e forças de superfície. O balanço de forças da equação (3.4.10) está representado pela Figura 3.4.6. Para partículas muito pequenas, as forças predominantes são as de atração e de sustentação, que se tornam menos significantes à medida que se aumenta o diâmetro das partículas até 40µm, onde acima deste tamanho, as forças gravitacionais e de sustentação dominam a velocidade mínima de transporte da partícula (23). Figura 3.4.6 - Forças atuantes em uma partícula esférica de vidro durante o movimento inicial de transporte (23). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 40 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Ainda segundo o modelo de Hayden et al. (23) , a força de sustentação Fl atuante em uma partícula esférica em um campo de fluxo de cisalhamento é representado por: 1 Fl KUd p2 2 4 (3.4.11) 1 2 Onde K é uma constante de valor 81,2 calculada pelo autor, U é a velocidade do fluido, dp é o diâmetro da partícula, ω é a magnitude do gradiente de velocidade, ν e µ são respectivamente a viscosidade cinemática e a viscosidade dinâmica do fluido. Para o caso da partícula em repouso na superfície do tubo horizontal, a força de adesão é considerada como sendo a força de atração de van der Waals entre a esfera e a superfície, demonstrada pela equação (3.4.12) (23) . Fa AH d p (3.4.12) 12s 2 Onde AH é a constante de Hamaker e s é o espaço entre a partícula e a parede, estimada em aproximadamente 8x10-8m. Hayden et al. (23) apresentaram a equação (3.4.13) a partir do balanço de forças da equação (3.4.10), encontrando a seguinte velocidade de arraste: U pu 2.62 13 21 3 D t 21 1.302 x10 6 g p 8 6 d p2 21 8 21 O balanço de forças da equação apresentada por Hayden et al. (3.4.13) (23) foi comparado com os dados experimentais alcançados pelos autores. A Figura 3.4.7 mostra que os resultados experimentais estão ligeiramente acima da curva encontrada pela equação (3.4.13) para partículas pequenas e médias, reforçando a hipótese inicial de que interações partículaspartículas são predominantes, e que altas velocidades são necessárias para separar pequenas REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 41 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos partículas. Já para partículas grandes, onde as forcas atrativas são menos importantes, menores velocidades são necessárias (23). Figura 3.4.7 - Comparação entre os dados experimentais com a análise teórica utilizando esferas de vidro (23). Kalman e Rabinovich (33) identificaram em seus testes que a velocidade inicial de movimentação da partícula é uma função das características da partícula. Eles apresentaram através da Figura 3.4.8 uma série de conclusões tiradas de suas pesquisas práticas, definidas como: - A velocidade mínima de movimentação aumenta à medida que a densidade da partícula aumenta; - Quanto maior a esfericidade da partícula, menor é a velocidade para colocá-la em movimento; REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 42 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos - Duas zonas de comportamento podem ocorrer. Para partículas grandes, a velocidade aumenta com o aumento das partículas, e para partículas pequenas a velocidade mínima de transporte aumenta com a diminuição das partículas; - A velocidade mínima de transporte é maior do que a velocidade limite de salto, e essa diferença aumenta ainda mais com o aumento de partículas finas. Figura 3.4.8 - Velocidade mínima de transporte em função do diâmetro da partícula para diversos materiais (33). Diversos modelos para prever a velocidade mínima de transporte são encontrados na literatura, onde cada modelo possui suas restrições de aplicações e condições de correlação. Kalman e Rabinovich (33) fizeram uma comparação dos principais modelos encontrados na literatura, mostrado na Tabela 3.4.1, e comparados pela Figura 3.4.9, destacando suas características. Dentre todos os modelos avaliados, o principal fluido de transporte estudado foi o ar, e somente um grupo de estudiosos direcionou suas pesquisas para sistemas hidráulicos. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 43 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Algumas diferenças entre as correlações empíricas e os dados experimentais foram observadas pelos autores, que atribuem essas discrepâncias às seguintes possibilidades: - Uso de diferentes técnicas experimentais pelos grupos de pesquisa; - Cabrejos e Klinzing (31) assumem que o coeficiente de fricção entre a partícula e a superfície é uma constante de 0,45, considerado por Kalman e Rabinovich (33) um valor muito alto para partículas de grandes; - Já Stevenson et al. (34) não mediu o coeficiente de fricção, assumindo valores constantes de 0,55 e 0,65 para uma ampla faixa de tamanhos e formas; - Kalman e Rabinovich (33) relatam que os resultados de Han e Hunt (35) foram encontrados através de dados gráficos; - Por fim, Halow informa em suas pesquisas, em 1973, que os valores médios de velocidade mínima de arraste e coeficiente de fricção estão entre 25-30% dos valores médios. Figura 3.4.9 - Comparação entre os diferentes modelos de previsão para a velocidade mínima de transporte encontrados na literatura (33). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 44 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Kalman e Rabinovich (33) também fizeram alguns comentários sobre os diferentes modelos disponíveis na literatura, como são mostrados na Tabela 3.4.1: - Os modelos 1, 2 e 3 foram desenvolvidos para prever o movimento em somente uma direção, e não consideram a possibilidade de movimento em outras direções ou rotações; - Os modelos 1, 3 e 5 assumem que a força de arraste das partículas agem somente no centro da partícula, o que pode ser incorreto pelo ponto de vista de Kalman e Rabinovich (33); - A força de sustentação, utilizada nos modelos 1, 2 e 3 foram tiradas do modelo de Safman, sem levar em conta a faixa de condições para o qual este modelo foi desenvolvido; - O modelo 4 foi desenvolvido para meia partícula esférica; - Os modelos 5 e 6 desenvolvem diferentes correlações para diferentes casos, mas não indicam qual o melhor caso entre as variadas condições de analise; - Já nos modelos 3 e 5 deve-se conhecer a deformação (ϴ) deve ser conhecido, na qual, muitas vezes é de difícil medição ou previsão. Tabela 3.4.1 - Diferentes Correlações para velocidade mínima de transporte de partículas (33). Autores Correlação para velocidade mínima de transporte U puo dp 1 D t 1.5 4 f gd s 3 C D Faixa p d p des Cabrejos e 2 1 d p 1 .5 U 7 2 4 1 1 C D d p 4 3 puo 1 . 54 x 10 Klinzing D Dt t (1995) U 21 puo 3 3 f s gd p p 1.302x10 6 d p 6.35x10 3 d p 5 3 6 Dt 1 8 d p des REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 45 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Hayden 2 et al U pu 2.62 (2003) Han e 3 13 21 8 21 Dt 3 21 8 6 g p 1.302 x10 6 d p2 21 d p susp d Para 2 f tan 0.5d p r p 2.62 x10 5 p g 9 1 f tan partículas esféricas Hunt (1995) 0.5d p d Para f tan 2 r p 3.6 x10 6 p g 9 1 f tan partículas não esféricas U pu U pu p 2.19 fr p g Re D 0.57 Dt 0.14 r p 2000 2 1escor 0.14 Re D 0.0194 frp gDt p r p 2000 2 1escor 4 Stevenson et al (2002) U pu U pu p 3.29 fg 0.41 p 11.67 fg rp 0.08 Dt 0.14 0.18 1 rp 2 500 esco rp 0.29 rp 0.29 Dt 0.14 0.43 2 500 esco ReD U pu p 3.02 r p g 0.57 Dt 0.14 2000 rp 2 1 0.14 f 1 . 76 rot REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 46 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 2 ( 0.5d p ) 2 C D d p 8 3 3 0 .5 f d p p g 4.05 d p 1.5 6 d p des dp 3 d p p g cos 90 2 6 dp 2 2 1.56 0.5d p C D d p cos 2 8 1 dp 3 4.05d p 2 1.5 cos90 2 d p Rot 3 p g d p 2 1 d p 2 0.5d p 48.5 2 d p susp 1.56 Kalman e 5 Rabinovich (2009) apud Halow (1973) 56.0 Ibrahim 6 et al 2 r 0.0375U pu 0.0387 1.87 3 3 d p p d p g 4 6 d p 3d p 1.7009 . 2 1.87 3 r 0.0375U pu 0.0387 3 2 p f d p p d p g 56.9 6 4 d p susp d p des (2003) 1 d p 1.4 r 3d p 1.7009 2 2 6r p K r 0.0375U pu 0.0387 x 1.87 3 56.9 2 1 3 d p Rot 6 r 2 3 d p d 3 g 6 K 4 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 47 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4. FORMULAÇÃO MATEMÁTICA São duas as formulações diferentes para descrever os problemas em mecânica dos fluidos: a descrição Lagrangeana e a descrição Euleriana. Uma combinação entre essas duas formulações, apresentada como uma descrição arbitrária Lagrangenana-Euleriana (ALE – Arbitrary Lagrangian-Eulerian description) tem sido amplamente utilizada em mecânica computacional. O fluido pode ser modelado como inúmeras partículas pequenas que se transladam, rotacionam e deformam, sendo importante descrever o movimento das partículas que formam o fluido para melhor entender seu comportamento (36). 4.1 Descrição Lagrangeana A descrição Lagrangeana consiste em acompanhar individualmente as partículas que se movem através de um domínio físico, sendo geralmente utilizada para partículas sólidas. Em mecânica dos fluidos é particularmente adequado para fluxos multifásicos, onde bolhas e partículas sólidas podem ser facilmente rastreados utilizando esta formulação (36; 37) . Desta forma a descrição lagrangeana prevê a posição de cada partícula de fluido x em cada tempo t. Como o fluido contém um número infinito de partículas, cada partícula é selecionada pela especificação de sua posição x0 no tempo t = 0. Assim, a aceleração do fluido também é representada pela posição de cada partícula de fluido, sendo sua aceleração representada como uma cinemática de corpos rígidos, mostrado nas Equações (4.1.2) e (4.1.3). A Figura 4.1.1 mostra o exemplo da descrição lagrangeana (36). x xt, x0 dx t , x 0 dt (4.1.2) dv t , x 0 d 2 x t , x 0 dt dt 2 (4.1.3) U t , x 0 a t , x 0 (4.1.1) REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 48 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 4.1.1 - Posição de várias partículas de fluido como função do tempo (36). 4.2 Descrição Euleriana A descrição Euleriana é mais frequentemente utilizada devido seu campo de formulação ser geralmente mais simples. Nesta descrição, é feita uma análise em pontos fixos no espaço, conforme o fluido escoa por estes. A formulação consiste em fornecer o campo de velocidade x no instante de tempo t. Esta descrição não fornece informação sobre o movimento de cada partícula individualmente, mas apresenta informações em pontos fixos, fornecendo o campo de velocidade U em cada posição espacial x e um instante t. U U x , t (4.2.1) Neste caso, a aceleração não pode ser calculada como uma derivada parcial da velocidade do fluido em relação ao tempo já que, U(x,t) representa a velocidade de diferentes partículas como se elas viajassem no mesmo ponto x (36). 4.3 Equações governantes para o escoamento da fase gasosa A fase gasosa é descrita pelas equações de transporte em fase contínua. No software comercial Ansys CFX 12.1 as equações de Navier-Stokes são resolvidas em sua forma conservativa. As equações resolvidas para a fase gasosa incluem conservação de massa, momento, energia cinética turbulenta, taxa de dissipação turbulenta, energia e espécies químicas (38; 37) . As equações governantes no escoamento do fluido representam demonstrações matemáticas das leis de conservação da física, que são: REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 49 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A massa do fluido deve ser conservada; A taxa de variação de momento é igual à soma das forças atuantes na partícula de fluido (Segunda lei de Newton); A taxa de variação de energia é igual à soma das taxas de calor adicionado e do trabalho realizado em uma partícula de fluido (Primeira lei da Termodinâmica). O fluido será tratado como um contínuo sempre em termos de propriedades macroscópicos, tais como velocidade, pressão, densidade e temperatura, e suas derivadas no espaço e no tempo. Propriedades microscópicas tais como estrutura ou movimentos moleculares são ignorados (39). 4.3.1 Conservação de massa O princípio da conservação de massa estabelece que a massa do volume do fluido seja constante. Portanto, o primeiro passo para a derivação da equação de conservação de massa é o balanço de massa para o elemento do fluido. A equação para a conservação de massa, ou equação da continuidade, pode ser escrito da seguinte forma: . U S m t (4.3.1) O termo S m é a massa adicionada a fase contínua por uma segunda fase dispersa e o operador nabla ( ) se refere ao vetor operador que representa a derivada espacial de uma quantidade em todas as direções em um sistema de coordenadas escolhido, como mostra a equação (4.3.2) (36) para uma função escalar. A equação (4.3.1) pode ser aplicada tanto para fluxos incompressíveis como para compressíveis. i j k x y z (4.3.2) É importante mencionar que a equação da continuidade, em qualquer forma que seja apresentada, representa simplesmente o princípio de conservação de massa. Deve-se ainda observar que o desenvolvimento feito não está restrito a elementos de volume retangulares, o mesmo tratamento pode ser feito com elementos de qualquer forma arbitrária (40). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 50 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.3.2 Conservação de Momento A equação de conservação de momento ou também conhecida como quantidade de movimento utiliza a segunda lei de Newton, onde a taxa de mudança de momento de uma partícula de um fluido é igual à soma das forças nessa partícula. A segunda lei de Newton, quando aplicada ao elemento de fluido, diz que a força resultante no elemento de fluido e igual à sua massa multiplicada pela aceleração do elemento, como mostra a equação (4.3.3) (40) . Fx max (4.3.3) É importante enfatizar que a equação (4.3.3) é vetorial com componentes em todas as três direções. Por simplicidade será considerada apenas a direção x, as outras duas (y e z) podem ser tratadas analogamente. Dessa forma, a equação de conservação de momento em uma referencia inercial é descrita pela equação (4.3.4). U . UU p . g F t (4.3.4) Onde p é a pressão estática, é o tensor tensão, descrito pela equação (4.3.5) e g e F são as forças gravitacionais do corpo e as forças externas, respectivamente. 2 U U T .U I u 3 (4.3.5) Neste caso, µ é a viscosidade molecular, Iu é o tensor unitário e o termo U T é o efeito da dilatação volumétrica (41). 4.3.3 Conservação da Energia A equação da energia é derivada da primeira lei da termodinâmica que afirma que a taxa de variação de energia de uma partícula de fluido é igual à taxa de calor para a partícula de fluido somado ao trabalho realizado (39). Para o estado estacionário, a equação da energia é resolvida na forma mostrada pela equação (4.3.6). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 51 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos htot p . Uh tot .k T .U . U .S M S E t t (4.3.6) Onde o termo ∇.(Uτ) representa o trabalho referente as tensões viscosas e v.SM é o trabalho devido às forças de momento externo, sendo normalmente desprezado. O termo htot é a entalpia total, relacionada com a entalpia estática h(T, p) pela equação (4.3.7). 1 htot h U 2 2 (4.3.7) 4.3.4 Conservação de Espécies Químicas O Ansys CFX 12.1 modela misturas e o transporte de espécies químicas resolvendo as equações de conservação que descrevem fontes de convecção, difusão e reação para cada espécie química. Para a resolução das equações de conservação, é prevista a região de cada espécie química Yi através da solução de uma equação de convecção/difusão para cada espécie química, que apresenta a forma básica mostrada na equação (4.3.8). Yi . UYi .J i Ri S i t (4.3.8) Onde Ri é a taxa de produção de uma espécie química i de uma reação é calculada como a soma da reação fonte de Arrhenius sobre quantidade de reações que a espécie participa, mostrado pela equação (4.3.9). O termo Ji é o fluxo de difusão das espécies i, que surgem devido a gradientes de concentração e temperatura (41). NR Ri M w ,i Ri ,r (4.3.9) r 1 O termo Si, apresentado na equação (4.3.8) é a taxa de criação e adição da espécie química somada com alguma fonte pré-definida. A equação de conservação de espécies é resolvida pelo Ansys CFX 12.1 para N-1 espécies, onde N é o número total de espécies químicas presentes na fase fluido. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 52 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.3.5 Modelo de turbulência A turbulência consiste em flutuações no campo fluido no tempo e no espaço. São processos muito complexos, principalmente por ser tri-dimensional, não estacionário e por consistir de algumas escalas. A turbulência se torna significativa quando as forças inerciais no fluido se comparam às forças viscosas, caracterizadas pelo alto valor de Reynolds (41; 42). As equações de Navier-Stokes são, em princípio, capazes de descrever os fluxos laminar e turbulento sem a necessidade de informação adicional. No entanto, os fluxos turbulentos em números de Reynolds em escalas realistas abrangem uma vasta gama de comprimento e escala de tempo turbulento, e que geralmente envolvem escalas de comprimento muito menores do que o menor volume finito de malha utilizado em uma análise numérica. DNS (Direct Numerical Simulation - Simulação Numérica Direta) que consiste na utilização direta das equações de Navier-Stokes para a resolução de escoamentos poderá no futuro ser utilizados, porém necessita de grande recurso computacional, muitas vezes maiores do que o disponível atualmente (41). Desta forma, os modelos de turbulência são utilizados para explicar os efeitos da turbulência sem a necessidade de uma malha muito fina ou de elevado recurso computacional. Em geral os modelos de turbulência modificam as equações não-estacionárias de Navier-Stokes originais pela introdução da média da quantidade de flutuações, sendo a maioria dos modelos de turbulência estatísticos, com exceção dos modelos LES (Large Eddy Simulation) e DES (Detached Eddy Simulation) (41). Os modelos baseados na viscosidade turbulenta, consideram que a turbulência consiste de pequenas vórtices que são gerados e dissipados, e onde os tensores de Reynolds são assumidos como proporcionais à média dos gradientes de velocidade. Os modelos de duas equações são amplamente utilizados por apresentar uma boa precisão sem grandes exigências computacionais. Nesses modelos a escala de velocidade turbulenta é fruto da energia cinética turbulenta, proveniente da solução da equação de transporte. O modelo k-ε é baseado no modelo de equações de transporte para a energia cinética de turbulência (k), que é definido como a variação da flutuação na velocidade; e a taxa de dissipação turbulenta (ε), que é a taxa na qual ocorre a dissipação das flutuações na velocidade. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 53 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Este modelo introduz duas novas variáveis no sistema de equações, sendo baseado no conceito de viscosidade turbulenta µt, assumindo que a viscosidade turbulenta está ligada a energia cinética turbulenta e sua dissipação, como mostra a equação (4.3.10). t C k2 (4.3.10) Os valores de k e ԑ são obtidos pelas equações diferenciais de transporte para a energia cinética turbulenta, como mostrado na equação (4.3.11), e para a taxa de dissipação turbulenta, pela equação (4.3.12). k U j k t t x j x j k U j t t x j x j k Pk Pkb x j (4.3.11) C 1 Pk C 2 C 1 Pb x j k (4.3.12) Nestas equações, Cµ, Cԑ1, Cԑ2, σk e σԑ são constantes do modelo de turbulência, com valores apresentados na Tabela 4.3.1. Já Pkb e Pԑb representam as forças de flutuabilidade e Pk é a produção de turbulência devido às forças viscosas. Tabela 4.3.1 - Constantes do modelo de turbulência k-ε (41). Cµ, 0,09 Cԑ1, 1,44 Cԑ2, 1,92 σk 1 σԑ 1,3 REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 54 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.4 Equações governantes para o escoamento da fase particulada O transporte de partículas Lagrangeano é abordado no Ansys CFX 12.1 como um tipo de modelo multifásico aplicado a sistemas dispersos, onde a fase particulada é representada por uma amostra de partículas individuais com referencial Lagrangeano, e viajam através de um campo contínuo Euleriano. O acompanhamento é realizado por uma série de equações diferenciais no tempo para cada partícula, que consistem de equações para sua posição, velocidade, temperatura e massas das espécies (41). A aplicação do acompanhamento Lagrangeano no software Ansys CFX envolve a integração do caminho das partículas através de um domínio discretizado. O acompanhamento das partículas ocorre individualmente da posição que são introduzidas no domínio até sua saída. Cada partícula, considerada rígida e esférica, é então injetada para obter uma média de todas as faixas de partículas e para gerar os termos fonte para as equações de massa, momento e energia do fluido (37). 4.4.1 Equação de Momento As forças que atuam sobre uma partícula viajando através de um fluido afetam sua aceleração devido à diferença de velocidade entre a partícula e o fluido, bem como o deslocamento do fluido pela partícula. A equação do movimento dessa partícula, considerando todas as forças atuantes no sistema foi derivada pelos pesquisadores Basset, Boussinesq e Oseen, e mostrada na equação (4.4.1). mp dv p dt FD FB FR FVM FP (4.4.1) Onde FD representa a força de arraste atuando sobre a partícula; FB é a força de flutuabilidade devido à gravidade; FR são as forças de rotação do domínio; FVM representa a força de massa adicionada, ou virtual e FP a força de gradiente de pressão. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 55 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.4.2 Equação de Energia da Partícula A taxa de mudança de temperatura é governada por três processos físicos: transferência de calor convectiva, associada a transferência de massa e radiativa. A taxa de mudança de temperatura na partícula é então obtida pelo somatório apresentado na equação (4.4.2). m C CP dT QC QM QR dt (4.4.2) Onde QC, QM e QR são as transferências de calor por convecção, associado a massa e radiativo. 4.4.3 Turbulência no acompanhamento da partícula O cálculo da velocidade instantânea do fluido, Uf depende do regime do fluxo e do tipo de partículas desejada. Em regime turbulento, a velocidade instantânea do fluido é decomposta na componente principal Uf e flutuante U’f. A dispersão turbulenta de uma partícula é então modelada assumindo que cada partícula está dentro de um simples vórtice turbulento, sendo que cada vórtice possui velocidade flutuante, U’f, duração, τe, e comprimento característico, le, calculados por Gosman e Ioannides (13; 41) , e mostrados pelas equações (4.4.3), (4.4.4) e (4.4.5). U 'f 2k / 3 0 .5 le e 1 2k 2 3 3 le (4.4.3) (4.4.4) 3 C4 k 2 (4.4.5) Onde Cµ é uma constante de turbulência. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 56 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.4.4 Força de arrasto em partículas A força de arrasto aerodinâmica FD sobre partículas é proporcional à velocidade de escoamento U, entre o fluido e a partícula, como mostra a equação (4.4.6). FD 1 C D F AF U f U p 2 (4.4.6) CD é o coeficiente de arraste, AF é a seção transversal efetiva da partícula, Uf e Up são as velocidades do fluido e da partícula, respectivamente. O coeficiente de arraste CD é introduzido através de resultados experimentais do arraste viscoso em esferas sólidas, como mostra a Figura 4.4.1. Figura 4.4.1 - Coeficiente de arraste de uma esfera e um cilindro circular para um fluxo uniforme (36). Esta curva padrão de coeficiente de arraste é baseada em fatores experimentais para esferas e cilindros. Constata-se através da figura a dependência do coeficiente de arraste com o número de Reynolds (Re), determinando diferentes tipos regimes como mostra a Tabela 4.4.1. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 57 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Tabela 4.4.1 - Regimes em função do número de Reynolds Regime Stokes Faixa de Equação Característica Reynolds CD 0< Re <0,2 24 Re Regime Laminar Schiller-Naumann CD Transição 0< Re <1000 24 (1 0,15 Re 0 ,687 ) Re Schiller-Nauman/Newton Arraste devido a forças inerciais e viscosas, também chamado de regime viscoso 24 CD max (1 0,15 Re0,687 );0,44 Re Newton Supercrítico Arraste em quase que 1000< Re C D 0,44 <100.000 exclusivo em função de forças inerciais Transição Re > limite 100.000 de laminar camada para turbulenta Já a força de empuxo sobre as partículas é a força atuante em uma partícula imersa em um fluido, e pode ser descrita pela equação (4.4.7). FB 3 d p p f g 6 (4.4.7) Onde dp é o diâmetro da partícula, p é a densidade da partícula, f a densidade do fluido e g o vetor gravidade. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 58 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.5 Equações diferenciais parciais para soluções numéricas As equações que regem o movimento de fluidos são equações diferenciais parciais. Essas equações são compostas de combinações de variáveis de fluxo, tais como as componentes de velocidade e pressão do fluido. Os computadores não podem ser usados diretamente para encontrar uma solução para as equações diferenciais parciais. Isso porque os computadores só reconhecem e manipulam dados na forma de zeros e um, ou seja, dados binários. Eles podem, contudo, ser programados para armazenar números, para realizar simples operações como adição, subtração, divisão e multiplicação, e repetir seqüências conjuntas destas operações nos números armazenados. Desta forma, as equações diferenciais devem ser transformadas em equações que contém apenas números que será descrito pelas simples operações (43). A discritização numérica vem para proporcionar a transformação de uma equação diferencial parcial para o que chamamos de equação análoga numérica. Neste processo de discretização cada termo dentro de uma equação diferencial deve ser traduzido em uma equação numérica análoga que o computador pode ser programado para calcular. Uma variedade de técnicas podem ser utilizadas para executar esta discretização numérica e, embora cada técnica seja baseada em um outro conjunto de princípios, há muitas características em comum nos métodos que são utilizados. São três as técnicas de discretização mais utilizadas: o método de diferenças finitas, o método de elementos finitos e o método de volumes finitos. O primeiro foi a base inicial do desenvolvimento dos códigos CFD como conhecemos hoje. Os métodos baseados na técnica dos elementos finitos ainda tem uso comercial restrito, principalmente pelo fato de necessitar de mais recursos computacionais em comparação à outros métodos. O terceiro método guarda semelhanças com o método de diferenças finitas, sendo o mais popular entre os métodos de discretização numérica por ser vastamente utilizado em CFD (43). O Ansys CFX-12.1 utiliza uma modificação do método de volumes finitos clássico, desenvolvido por McDonald (1971) e MacCormack e Paullay (1972), que é conhecido como método de volumes finitos baseado em elementos finitos. Este método discretiza seu domínio espacial utilizando uma malha. Essa malha é utilizada para construir volumes finitos o qual serão utilizados para conservar quantidades relevantes de massa, momento e energia (44). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 59 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos As propriedades são avaliadas no centróide dos elementos, como mostra a Figura 4.5.1, e utiliza-se interpolação para calcular os valores das propriedades nas faces que delimitam os elementos. Nesta malha, todas as soluções variáveis e propriedades do fluido são armazenadas em nós. Os nós são os vértices da malha. Figura 4.5.1 - Apresentação esquemática típica de uma malha bi-dimensional (Adaptada de Ansys CFX (37)). Por utilizar uma formulação que leva em conta os volumes, não há mais a restrição da utilização somente de malhas estruturadas, como acontece no método das diferenças finitas, sendo possível usar malhas não-estruturadas compostas por elementos triangulares, eqüiláteros (2D) ou tetraedros, hexaedros e prismas (3D). Ainda é viável utilizar simultaneamente dois ou mais tipos de elementos na solução de problemas, o que se mostra muito útil em situações de elevada complexidade da geometria a discretizar e limitação na disponibilidade de recursos computacionais (44). 4.5.1 Métodos Numéricos Todas as equações que regem a conservação das propriedades de um fluido, apresentadas neste estudo, possuem uma semelhança entre si. É possível então, escrevê-las em uma forma genérica, utilizando uma variável ϕ que assume o valor de diferentes propriedades com o REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 60 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos intuito de resgatar a equação de conservação desejada. Ao fazer isto, estamos escrevendo uma equação de transporte para a variável escalar ϕ, como mostra a equação (4.5.1). u v w S t x y z x x y y z z (4.5.1) Onde o primeiro termo do lado esquerdo da equação está relacionado com a aceleração local e o segundo termo está ligando ao transporte através de advecção da propriedade ϕ. Já o lado direito da equação, o termo Sϕ representa o termo fonte e os demais são termos difusivos. Uma vez obtido o sistema de equações algébricas, proveniente do processo de discretização das equações diferenciais parciais que regem os problemas de escoamento de fluidos, parte-se para a solução numérica. Nesta etapa, o principal objetivo é produzir métodos que sejam o mais eficiente possível, em outras palavras, possuam robustez e utilizem a memória de forma racional (44). Os pacotes comerciais de simulação não abrem o método que utilizam. Esta é uma forma de ocultar algumas informações, evitando cópias ou reproduções não autorizadas. Os principais métodos utilizados são os diretos e os iterativos. O primeiro, possui a restrição de utilização a sistemas de equações não muito grandes, havendo uma limitação no tamanho máximo da malha para resolver um problema, podendo levar a divergência da solução. O segundo método é uma alternativa aos métodos diretos, onde parte-se de uma solução inicial, chute inicial, e o algoritmo de solução caminha iterativamente em busca de melhores resultados, até que se atinja o nível de convergência desejado (44). 4.6 Reações entre fluido e partícula O carvão injetado pelas ventaneiras normalmente apresenta um tempo de residência na zona de combustão muito curto, da ordem de 5 a 20 milésimos de segundo. Para uma melhor compreensão dos fenômenos que ocorrem na queima do carvão injetado no alto-forno, normalmente considera-se o comportamento de uma partícula individual do carvão (9) . A REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 61 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos classe de reações heterogêneas nas quais um gás ou um líquido entra em contato com um sólido gera um produto, que pode ser classificado da seguinte forma (45; 46): A(fluido) + bB(sólido) → produtos fluidos, (4.6.1) → produtos sólidos, (4.6.2) → produtos fluido e sólido. (4.6.3) A equação (4.6.1) representa uma condição onde as partículas diminuem de tamanho durante a ração, pela formação de cinzas de forma laminar, quando se forma um produto um material não consistente ou quando o reagente B é utilizado no estado puro. Já as Equações (4.6.2) e (4.6.3) representam condições onde a partícula sólida permanece com o mesmo tamanho durante a reação, que ocorre quando a partícula contém grande quantidade de impurezas que permanecem como uma cinza não laminar, ou quando se forma um produto consistente. A Figura 4.6.1 mostra o comportamento das partículas sólidas mostradas pelas Equações (4.6.1), (4.6.2) e (4.6.3) (45). Figura 4.6.1 - Diferentes tipos de comportamento de partículas sólidas em reação (45). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 62 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos As reações de materiais carboníferos, tais como carvão briquetado, madeira, etc., com baixos teores de cinzas, para produzir calor ou combustíveis de aquecimento, são os exemplos mais comuns de reações entre fluidos e sólidos nas quais o tamanho da partícula muda. Outros exemplos são as reações de dissolução, reações de ataques a laminas de metais e reação de oxidação do ferro (45). A velocidade de reação dependerá do desenvolvimento da reação ao longo do tempo, em especial, do tipo de produto formado (2) . Para isso, é necessário desenvolver expressões de velocidade para reações entre fluido e partículas. Um requisito importante para um bom modelo na engenharia é representar bem a realidade, o qual pode ser tratado sem muita matemática. Para reações de partículas não catalisadas, envolvidas pelo fluido, dois modelos são propostos pelo autor para explicar o comportamento da reação química, sendo de conversão progressiva e modelo sem reação no núcleo (45). No modelo de conversão progressiva, se imagina que o gás reagente entra e reage dentro da partícula o tempo todo, com diferentes velocidades em diferentes posições. O reagente sólido é convertido contínua e progressivamente dentro da partícula, mostrado pela Figura 4.6.2 (45). Figura 4.6.2 - Representação esquemática do modelo de conversão progressiva para reações heterogêneas sólidogás (45). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 63 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Já o modelo sem reação no núcleo, a reação se processa numa frente estrita que se move dentro da partícula sólida. Para compreender melhor, imagina-se que a reação ocorre primeiro na superfície externa da partícula, e a zona de reação então se move em direção ao centro do sólido, e pode deixar atrás de si material inerte convertido, o que chamamos de cinzas, como mostra a Figura 4.6.3 (45). Considerando a análise química imediata do carvão vegetal, que consiste em analisar a umidade, materiais voláteis, cinzas e carbono fixo, percebe-se que os teores desses elementos na partícula de carvão pulverizado não podem ser desprezados, o que direciona o estudo para o modelo de núcleo não reagido para partículas esféricas de tamanho constante. Isso porque a condição de reação para partículas esféricas que diminuem de tamanho é mais bem aplicada quando não há formação de cinzas, como na queima de carbono puro na presença de ar, onde a partícula reagente diminui de tamanho durante a reação, desaparecendo por completo (45). Figura 4.6.3- Representação esquemática do modelo de núcleo não reagido (45). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 64 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.7 Combustão do Carvão Para a reação de partículas de carvão, os reagentes devem ser obrigatoriamente partículas, porém os produtos podem ser encontrados na fase particulada ou na fase gasosa. A combustão do carvão é calculada a partir das equações de transporte das partículas de carvão combinado com o cálculo da dissipação turbulenta para a combustão dos voláteis na fase gasosa. No Ansys CFX as equações de transporte são resolvidas para cada material desprendido pelas partículas (41). 4.7.1 Decomposição O carvão pulverizado é modelado pelo Ansys CFX como esferas com reação interna, transferência de calor e completo acompanhamento de massa, momento e energia, mas onde não há interação das partículas entre si. Shen et al. (38), assim como Ansys CFX (41), descrevem em suas pesquisas e simulações que, a combustão do carvão pode ser dividida em quatro estágios: aquecimento, desvolatilização do carvão em materiais voláteis e do carbono, combustão dos materiais voláteis gasosos e oxidação/gaseificação do material carbonizado residual pela fase gasosa turbulenta. A desvolatilização e o processo de oxidação do carbono pode ocorrer em milissegundos, que são tempos muito menores que o tempo de residência típico das partículas na zona de combustão. Grandes variações na escala de tempo podem resultar em equações numericamente grandes, causando problemas na precisão dos resultados (37). 4.7.2 Desvolatilização A desvolatilização pode ser modelada por um ou mais passos de reação usando a capacidade genérica de reação multifásica de Arrhenius, onde normalmente o processo é representado por um ou dois passos de reação (37). Shen et al. (47) utilizam em seu trabalho o modelo de duas reações concorrentes, onde um par de reações com diferentes constantes (Z1, Z2) e do rendimento real dos voláteis (y1 e y2), como mostra a equação (4.7.1). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 65 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos CarvãoBruto Z1 y1VM 1 y1 C h1 Z2 y 2VM 1 y 2 C h 2 (4.7.1) Onde VM é a fração mássica do material volátil e Ch é o carvão residual queimado. Freqüentemente o rendimento dos materiais voláteis de um tipo de carvão é conhecido somente após análise imediata em laboratório, onde a taxa de aquecimento é baixa e os voláteis que escapam podem sofrer reações secundárias incluindo sua quebra e deposição de carvão em superfícies sólidas (41). O modelo de duas reações para a desvolatilização utilizado nos trabalhos de Shen et al. (14; 47) e Guo et al. (48) , é uma alternativa para o modelo de reação simples que apresenta maior precisão nos resultados, já que identificam as mudanças devido ao rápido aquecimento das partículas de carvão dispersas no gás que liberam materiais voláteis. Um exemplo dessa aplicação é o carvão Betuminoso. Este tipo de carvão possui rendimentos de voláteis que dependem fortemente da temperatura e das taxas de aquecimento. Para a desvolatilização do carvão, o modelo entende que o diâmetro da partícula muda em proporção que a partícula libera voláteis e o aumento da fração nas mudanças diâmetro médio das partículas de carvão, após a desvolatilização deve ser especificado como a entrada do modelo, como mostra a equação (4.7.2). m ref d d p Cs d0, p dt mref ,0 (4.7.2) Onde dp é o diâmetro atual da partícula, Cs é o coeficiente de aumento, d 0,p é o diâmetro da partícula no início da desvolatilização, ṁref é a taxa de variação de massa do material de referencia e mref é a massa do material de referência no início da desvolatilização. 4.7.3 Oxidação do carbono Dois modelos são propostos para a oxidação do material carbonizado: o modelo de Field e o modelo de Gibb. Shen et al. (47) compara os dois modelos e constata que o modelo proposto por Field, quando utilizado em seus experimentos para a oxidação do carbono considerou somente a difusão externa dos gases reagentes para a superfície da partícula. Dessa forma, o REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 66 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos material queimado foi superestimado, sendo recomendado pelos autores um modelo que considere os mecanismos mais detalhados. Em seus estudos, os autores utilizaram o modelo proposto por Gibb, onde a difusão interna das espécies gasosas dentro dos poros das partículas do material carbonizado também é considerada. 4.7.3.1 Modelo de Field Neste modelo a reação do carbono é determinada pelas taxas de difusão para a superfície e de reação na superfície. A taxa de difusão do oxigênio por unidade de área na superfície da partícula é dada pela equação (4.7.3). kd ( X g X s ) (4.7.3) Onde Xg é a fração molar de oxigênio nos gases do forno distante da fronteira das partículas e Xs é a fração molar de oxigênio na superfície da partícula. A taxa de difusão de oxigênio kd é dado pela equação (4.7.4). Dref T p Tg kd rp 2Tref w pa p (4.7.4) Onde rp é o raio da partícula, Tp é a temperatura da partícula, Tg é a medida de temperatura do gás, p é a pressão local, p a é a pressão atmosférica, Dref é a difusividade dinâmica, Tref é a temperatura de referencia e w uma constante (41). A oxidação do carbono por unidade de área da superfície da partícula é dada por kcXs. O coeficiente kc para a taxa de reação química é mostrado na equação (4.7.5). T kc AcT pn exp c T p (4.7.5) Onde Ac e Tp dependem do tipo de carvão, e são especificados como parâmetros de entrada. Pelo equacionamento da taxa de difusão e de reação química, a taxa de reação global do carbono para uma partícula é mostrada pela equação (4.7.6). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 67 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos dmc k d1 kc1 dt 1 X g 4R p2 P PA (4.7.6) Sendo controlada pela menor das taxas kd e kc. 4.7.3.2 Modelo de Gibb O mecanismo de oxidação do carbono pode ser caracterizado pelo parâmetro φ e os óxidos são produzidos conforme a equação (4.7.7). C O2 2 1CO 2 CO2 (4.7.7) Sendo que o valor de φ depende da temperatura Tp da partícula, como mostra a equação (4.7.8). T 2 1 AS exp S T 2 p (4.7.8) Onde as constantes apresentadas por Gibb para AS e TS são respectivamente 2500 e 6240K (41). A equação (4.7.9) é apresentada para o decréscimo da massa de carbono mc, sendo obtida pela resolução analítica da equação de difusão de oxigênio. dmc 3 M c 1 1 k1 k2 k3 dt 1 M O2 c 1 mc (4.7.9) Onde ρ͚ é o campo de concentração de oxigênio, considerado como sendo o tempo médio de uma fase gasosa e ρc é a densidade do carbono. k1, k2 e k3 são respectivamente, taxa de difusão externa, taxa de reação na superfície e taxa de reação interna e superfície, mostradas pelas equações (4.7.10), (4.7.11) e (4.7.12). k1 D rp2 k 2 1 (4.7.10) kc R (4.7.11) REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 68 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos k3 k c coth 1 2a (4.7.12) O termo kc é a taxa de oxidação do carbono conforme define a equação de Arrhenius, mostrada pela equação (4.7.5). Já o termo D, mostrado na equação (4.7.13), é o coeficiente de difusão externa do oxigênio no gás ambiente. O cálculo desse coeficiente é similar ao do modelo de Field, sendo que o modelo de Gibb utiliza a difusividade cinemática substituindo a difusividade dinâmica utilizada no modelo de Field. Dref T p Tg D fluido 2Tref w (4.7.13) Onde Dref é a difusividade dinâmica, Tref é a temperatura de referencia e w uma constante. 4.7.4 Pré-Aquecimento por radiação A estabilidade da chama do carvão pulverizado depende do retorno do calor da zona de combustão para o carvão à medida que este é introduzido pelo tubo na ventaneira. O préaquecimento em geral ocorre pela combinação da convecção dos gases produtos e pela absorção da radiação, calculada pela equação (4.7.14). QR pd p2 I n2Tp4 (4.7.14) Onde I é a intensidade de radiação na superfície da partícula, n é o índice de refração do fluido, σ é a constante de Stefan-Boltzmann e εp é a emissividade da partícula, que varia à medida que ocorre a pirólise. Para isso, o modelo de Gibb utiliza uma variação linear para a emissividade da partícula de um valor de εp1 do carvão injetado para um valor de εp2 para o carbono, como mostra a equação (4.7.15). p 1 f v p1 f v p 2 (4.7.15) Neste caso, fv é o campo fracionado de voláteis. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 69 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 4.8 Modelo de combustão (EDM - Eddy Dissipation Model) O EDM se baseia na rápida reação química em relação ao processo de transporte no escoamento, assumindo que quando os reagentes se misturam, formam produtos instantaneamente. O modelo escolhido por Shen et al. (13; 16) em seus trabalhos assume que a taxa de reação está diretamente relacionada com o tempo necessário para a mistura dos reagentes a níveis moleculares (37). Para fluxos turbulentos o tempo de mistura é baseado nas propriedades de recirculação, sendo sua taxa então, definida pela energia cinética turbulenta k, e pela dissipação turbulenta ε, como mostra a equação (4.8.1) (41). taxa k (4.8.1) O modelo de dissipação pelas fronteiras é constantemente utilizado em problemas industriais, ocasiões onde a taxa de reação é rápida, comparada com a taxa de mistura dos reagentes. O limitador de uma dada reação é determinado pelos reagentes, equação (4.8.2), ou pelos produtos, equação (4.8.3), sendo priorizado o que ocorrer primeiro. I Rk A min m k v ' KI p I m WI m Rk AB k p v' ' KI W I m (4.8.2) (4.8.3) Onde [Im] é a componente de concentração molar dos reagentes. O limitante dos produtos é desativado quando o coeficiente B atinge valor negativo. Outro limitador que também pode ser aplicado ao EDM é o de temperatura máxima de chama, onde a taxa de reação vai lentamente tendendo a zero à medida que se aproxima o limite superior de temperatura. Sua implementação na taxa de reação do modelo pode ser feita pela inclusão de um limite extra nas condições de parada iniciais, como mostra a equação (4.8.4). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 70 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Rk ,TMC A CTMC k (4.8.4) Onde CTMC pode ser interpretado como uma concentração virtual, adicionada ao modelo, que limita a temperatura máxima de chama 4.9 Caracterização do escoamento rotacional Os fluxos rotacionais tem sido, e ainda são objeto de intensivos estudos. Estes mecanismos são caracterizados pela aplicação de um movimento espiralar ao fluxo, que pode ser alcançado quando se transmite velocidades tangenciais a fluxos perfeitamente axiais, sendo que o grau de torção aplicado tem grande impacto nos resultados no escoamento. A caracterização do escoamento é feita medindo o perfil de velocidade e o grau de torção é medido por um número adimensional, S, que representa o momento de torção do fluxo axial, Gθ, dividido pelo produto do momento axial do fluxo axial, Gz, pelo raio equivalente Rt (49; 50), como mostrado na equação (4.9.1). S R G G z Rt (4.9.1) G v z v U ' z U ' .r 2 dr 0 R Gz U '2z U z2 p p .rdr 0 (4.9.2) (4.9.3) A rotação de fluido tem sido amplamente utilizada na indústria, sendo sua principal aplicação em trocadores de calor e massa, turbinas, queimadores, separadores de partículas, sendo ainda, aplicado no transporte pneumático para controlar queda de pressão na linha (49). Alguns pesquisadores tem se esforçado em determinar os perfis de velocidades tangenciais e axiais em diferentes variações de rotação. Os estudos de Bottaro et al. apud Neto et al. (49) mostram que a intensidade de rotação (S) diminui exponencialmente à medida que a velocidade tangencial diminui, zerando quando a velocidade axial é totalizada. Kang et al. (51) REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 71 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos realizou testes computacionais, utilizando a rotação do fluxo, mostrado pela Figura 4.9.1, para verificar a influencia da razão ar/combustível em um queimador. Figura 4.9.1 - Estabilizador de chama (51). Li e Tomita (52) utilizaram um aparato muito similar ao utilizado por Kang et al. (51) para avaliar a distribuição das partículas em um transporte pneumático. Em seus experimentos, variou-se o fator de rotação S, e comparou com um fluxo totalmente axial. Neste experimento, diversos materiais foram testados, sendo colocada em repouso uma quantidade pré-definida de cada material separadamente em um tubo de testes transparente, como mostra a Figura 4.9.2, por onde foi insuflado ar com em diferentes velocidades. Os autores perceberam que as partículas eram mais facilmente suspensas quando um fluxo rotacional era aplicado, mesmo em baixas velocidades do fluido. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 72 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 4.9.2 - Transporte de partículas comparando: (a) S=0.0; (b) S=0.58; (c) S=0.94 e (d) S=1.13. (52) Foi observado ainda pelos autores que, além da velocidade média das partículas em um sistema de rotação ser menor quando comparado com um fluxo axial, uma melhor distribuição da velocidade das partículas foi encontrado. Os perfis de concentração de partículas apresentaram uma distribuição simétrica em relação ao eixo do tubo (52). Outro importante estudo realizado por Lilley (53) mostra que o efeito de um fator de torção pequeno (S<~0.4) aumenta a largura de um fluxo de jato livre ou confinado, e que números de torção altos, (S>~0.6) grandes gradientes de pressão são formadas próximo a saída do bocal, resultando em recirculação axial em uma zona central, pouco observado em números de torção menores. Em queimadores, a chama também é influenciada pela torção dos gases que a alimenta. Isso porque, nesse tipo de torção, o perfil radial de velocidade axial apresenta linhas de centro REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 73 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos máximas muito próximas ao bocal do queimador. À medida que diminui o número de torção para os gases, aumenta o comprimento da chama, como mostra a Figura 4.9.3. Figura 4.9.3 - Efeito do aumento do número de torção na frente de chama (53). Os efeitos de encurtamento da chama e recirculação do fluxo próximo ao bocal encontrados por Lilley (53) em suas pesquisas foram recentemente aproximados em estudos computacionais avançados realizados por Hang e Yang (54). Os autores ainda apresentam que a o perfil de temperatura é melhor distribuído ao longo da câmara à medida que o número de torção aumenta, conforme mostra a Figura 4.9.4. Seus resultados mostraram que fracas zonas de recirculação já são encontradas em baixos fatores de torção (S=0.44), incluindo uma fraca zona de separação e uma pequenas zonas próximo ao bocal, devido a repentina mudança de área entre o bocal do queimador e a câmara de combustão. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 74 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 4.9.4 - Linhas de fluxo e perfil de temperatura para dois números de torção (54). Com o aumento do fator de torção, as pequenas zonas de recirculação coalescem com a grande zona que se movem em direção ao bocal. Neste caso a chama é mais compacta quando comparada a baixos números de torção, pois apresentam maior velocidade de chama devido ao aumento da intensidade da turbulência. A Figura 4.9.5 mostra superfícies de iso-velocidade instantânea. Fica claro nesta figura o efeito do número de torção na turbulência dos gases na camara de combustão. É possível observar que para um baixo fator de torção, S=0.44, um vórtice espiral envolve o fluxo central persistindo por algumas voltas até se quebrar em pequenos fragmentos. Também é possível notar um vórtice espiral para um alto número de torção, S=1.10, porém, esta estrutura é muito mais complexa devido à atuação de uma grande força centrífuga. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 75 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 4.9.5 - Iso-superfícies de velocidade para dois diferentes números de torção (54). O número de torção na entrada dos gases exerce uma grande influencia nas freqüências das oscilações acústicas, mas desempenha um papel importante na determinação na amplitude de movimento das ondas. A freqüência de oscilação impacta fortemente o comportamento global da chama, incluindo área de superfície e taxa de liberação de calor, podendo alterar as propriedades locais da chama (54). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 76 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 5. METODOLOGIA Para o estudo do comportamento do combustível pulverizado nas ventaneiras, considerando condições de espalhamento e pulverização, bem como reações químicas e eficiência de combustão, adotou-se uma linha de estudo da injeção de combustíveis pulverizados onde as etapas de foram seqüenciadas e estabelecidas em: (1) ensaio físico a frio em utilizando o compressor com vazão máxima de aproximadamente 189Nm3/h disponível no LaSiP (Laboratório de Simulação de Processos) da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, alterando os tipos de ventaneiras, (2) simulação computacional através do software comercial ANSYS-CFX validado pelos resultados da simulação física a frio e (3), simulação computacional da combustão dos finos e carvão injetado em ventaneira de alto forno de 700 toneladas de gusa por dia. 5.1 Simulação física a frio Os ensaios a frio foram realizados utilizando ar à temperatura ambiente representando a injeção de ar pelas ventaneiras e o combustível será representado por amido de milho pulverizado, com granulometria variando entre 30 a 100 mícrons. Nesta etapa não será considerado a combustão. O conjunto de ventaneiras utilizado nos ensaios a frio apresenta dimensões de escala reduzida 1:4,8 de um Alto-Forno com capacidade de produção de 700 toneladas de gusa por dia, e taxa de injeção de 150kg de carvão pulverizado por tonelada de gusa, como mostra a Tabela 5.1.1. Tabela 5.1.1 - Dados para simulação Escala Reduzida [1:4,8] Velocidade Ar Injetado 100m/s Vazão de pó injetado 0,014 kg/ton.ventaneira Velocidade gás Arrasto Pó 15m/s Temperatura Ar 25oC REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 77 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Para evitar a interferência das paredes no campo do escoamento, o experimento foi realizado em ambiente aberto, onde duas faixas brancas, distantes 300mm de entre si, foram utilizadas para delimitar a área de captação das imagens, como mostra a Figura 5.1.1. Figura 5.1.1 - Aparato físico para visualização do espalhamento. Para insuflar o ar pelas ventaneiras, um compressor 22,5kW foi utilizado para produzir 7,87x10 5Pa de pressão e uma vazão máxima de aproximadamente 189Nm3/h. Medidores de vazão e pressão foram usados para controlar e monitorar as condições do ar antes da entrada da ventaneira, para garantir a obtenção das condições especificadas para o experimento. Para avaliar o grau de dispersão das partículas, foi utilizado uma câmera de alta definição (full HD) com capacidade para captar até 60 frames por segundo. Para cumprir os objetivos propostos, os experimentos serão realizados variando as configurações do bico, sendo todos os outros parâmetros mantidos constantes. A meta é verificar a influência do tipo de injeção no comportamento da partícula na zona de combustão. As ventaneiras foram separadas conforme tipo de injeção de finos, sendo separadas em quatro diferentes disposições: Lança Simples (LS) com 10 graus de inclinação, Lança Dupla (LD) com 10 graus de inclinação cada, lança com fator S=0.12 e lança com fator S=0.24, como mostra a Figura 5.1.2. O sistema ainda utiliza pequenas mangueiras com diâmetro interno de 3mm que representa o tubo de injeção de finos, devidamente acoplado na saída das REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 78 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos ventaneiras. Já os sistemas de injeção com fatores de torção, possuem mecanismo de alimentação pelo centro, sendo o diâmetro do tubo também fixado em 3mm. O comprimento da linha de injeção de pó foi estabelecido em 1m (um metro) para garantir a mesma perda de carga no sistema. Figura 5.1.2 - Tipos de Ventaneiras utilizadas no experimento físico com injeção de (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24 5.2 Simulação Numérica Técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD – Computational fluid dynamics) já vêm sendo implementadas desde a decada de 1960. Todo o desenvolvimento das técnicas computacionais aplicadas à solução de escoamentos foi inicialmente alavancado pelo campo da engenharia aeronáutica. Devido à limitação dos recursos computacionais de épocas atrás, a solução de escoamentos aerodinâmicos era feita através da simplificação do conjunto de equações governantes. Como os efeitos viscosos são limitados a uma região muito delgada e próxima às paredes (camada limite), assumiu-se, para efeitos de cálculo, que os escoamentos eram irrotacionais e não-viscosos (44). A partir de meados da década de 90 até hoje, a tônica dos códigos CFD comerciais foi tornar o método cada vez mais acessível. Isso só foi possível com o desenvolvimento de interfaces gráficas amigáveis e com a redução do custo dos recursos computacionais. A técnica CFD trata de sistemas envolvendo fluxo de fluidos, transferência de calor associados a fenômenos, tais como, reações químicas em geometrias previamente REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 79 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos estabelecidas (39). O conjunto de equações que desenvolvem os processos de movimento, calor e transferência de massa é conhecido como equações de Navier-Stokes. Muitas vezes um modelo de aproximação é utilizado para derivar essas equações adicionais, os modelos de turbulência são um exemplo particularmente importante. Os códigos CFD são estruturados em torno de algoritmos numéricos que podem resolver problemas numéricos. Para ter fácil acesso a essa condição de resolução dessas equações, pacotes comerciais CFD incluem sofisticadas interfaces para facilitar a entrada de dados do problema analisado. Um processo de análise CFD é mostrado na Figura 5.2.1. É importante ter em mente os objetivos de uma simulação de CFD desde o princípio do trabalho, antes mesmo de iniciar-se a confecção da geometria a estudar, pois, dependendo do objetivo, algumas simplificações poderão ou não ser realizadas. Essas simplificações podem ser geométricas ou da modelagem física e terão influência direta nos resultados finais. Figura 5.2.1- Fluxograma do processo típico de uma análise de CFD (44). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 80 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 5.2.1 Domínio computacional A geometria computacional que representa o modelo físico escolhido se baseia numa ventaneira em escala 1:4,8 de um forno com produção diária de 700 toneladas de gusa, com diâmetro de 25mm para o gás e 3mm para a injeção de material pulverizado. Este sistema possui mecanismo de injeção de carvão pulverizado com lança simples, que foi comparado com os sistemas de injeção por dupla lança, S=0.12 e S=0.24. Para todas as configurações de ventaneiras, foi utilizado uma região de monitoramento farfield com as dimensões em milímetros, como mostra a Figura 5.2.2. Figura 5.2.2 - Farfield da zona de combustão aplicado na simulação computacional. Medidas em milímetros. A geometria apresentada na Figura 5.2.2 foi empregada em todos os domínios testados. A variação ocorreu na ventaneira, onde os tipos de injeção foram variados, mostrados na Figura 5.1.2. A transição entre a ventaneira e a zona de combustão possui comprimento de 120mm com ângulo de 45 graus. Já a zona de combustão é composta por uma geometria tubular com 300mm de diâmetro e 1000mm de comprimento. Para as fronteiras, assumiu-se condições de ambiente aberto, com possibilidade de retorno de ar a temperatura de 25oC para a simulação a frio e de 1400oC para a simulação de combustão, valor este estabelecido com fator de 0,7 da temperatura adiabática de chama. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 81 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 5.2.2 Malha Os modernos pacotes de fluidodinâmica computacional utilizam malhas não-estruturadas. A diferença entre malhas não-estruturadas e estruturadas é que os elementos não precisam ser posicionados exatamente em linhas e colunas, tornando o processo de construção da malha mais simples e possibilitando o uso de outros tipos de elementos que não os hexaédricos (55). O processo de geração de malha exige uma análise prévia da geometria. O cuidado com a geometria favorece a geração de malhas mais regulares, benéfico tanto para convergência dos resultados, como para a redução do número de elementos que compõem o domínio. Para o presente estudo, pode-se separar a malha em duas regiões. A primeira região, comum a todas as configurações de ventaneiras, se refere à zona de combustão, região com aproximadamente 120 mil nós e responsável pelo monitoramento das partículas bem como seu comportamento e espalhamento, como mostra a Figura 5.2.3. Figura 5.2.3- Malha computacional da região de espalhamento e combustão. Na região das ventaneiras, apesar de a malha apresentar variações devido a geometria de cada configuração, objetivou-se manter um número aproximado de nós entre os sistemas, diminuindo variações de precisão devido a malha. Nas regiões próximas à ventaneira recebeu maior detalhamento da malha, para permitir capturar com melhor precisão o espalhamento inicial, logo após a injeção do combustível pulverizado, e a influência do ar injetado no previsão da trajetória das partículas ao longo de todo o domínio. A Figura 5.2.4 representa a malha das diferentes configurações de injeção do material pulverizado com aproximadamente 25 mil nós cada. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 82 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 5.2.4 - Malha das ventaneiras (a) lança simples, (b) lança dupla e (c) Torção S=0.12 e S=0.24. Devido a complexidade da geometria das ventaneiras, fatores de controle da malha foram monitorados, garantindo somente elementos hexaédricos. 5.2.3 Condições de Contorno e Iniciais Antes de descrever as condições iniciais de entrada e saída, é necessário o esclarecimento de alguns pontos da implementação do Ansys CFX. Isso porque no simulador há várias variáveis que podem confundir aqueles que não estão familiarizados com o mesmo. Um importante parâmetro que pode levar a erros é a variável pressão, p. Nas equações de Navier-Stokes esta variável pode assumir valores negativos, não sendo restrição, uma vez que o importante é o gradiente de pressão e não seu valor absoluto (56). Para que se tenha a pressão absoluta, uma pressão de referencia deve ser utilizada, sendo seu resultado a soma entre as pressões hidrodinâmica e de referência. Neste estudo, considera-se uma pressão de referência igual a 101325Pa. Esta etapa consiste em configurar os parâmetros iniciais pertinentes à simulação , aplicando as condições de contorno, que são apresentadas na Tabela 5.2.1. A solução das equações diferenciais parciais que descrevem o modelo de escoamento e as reações que envolvem a combustão são tratadas em coordenadas cilíndricas, estado estacionário, com modelo de turbulência k-ε. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 83 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A Frio Tabela 5.2.1 - Condições de contorno para simulação computacional (16). Local Gás Unidade Valor Temperatura (oC ) Sopro Ar m/s 100 25 Gás Arraste Ar m/s 15 25 Partículas Amido kg/s 0,014 25 Neste trabalho não será utilizado condições de simetria, visto que cada modelo apresenta uma configuração de injeção diferente, sendo impossível condicionar a um mesmo plano de simetria todos os modelos. Para as simulações de combustão, as propriedades do carvão pulverizado são apresentadas na Tabela 5.2.2. A composição das espécies dos gases foi restrita a O2, CO2, H2 e H2O, que são consideradas como conseqüência das reações do carvão pulverizado com suas respectivas taxas de reação. Tabela 5.2.2 - Análise do carvão pulverizado injetado na simulação computacional (16). Análise Imediata Análise Elementar Umidade Materiais Voláteis Cinzas [%] 4,3 C [%] 74,05 [%] 35,2 H [%] 5,31 [%] 2,4 N [%] 1,60 Carbono Fixo [%] 58,1 S [%] 0,35 O [%] 11,99 A produção do CO não foi considerada, pois a composição das espécieis resultantes são produtos de reação da queima completa dos elementos constituintes do carvão pulverizado. A vazão de ar injetado representa excesso de oxigênio. A reação de Boudouard que também ocorre na zona de combustão é função dos níveis térmicos do nível de O2 (ao longo da zona de combustão) e da quantidade de carbono disponível que vem do topo ou eventualmente até da ventaneira, sendo que esta determinação extrapola os limites deste trabalho sendo sugestão REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 84 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos para propostas futuras. O gás Nitrogênio, N2, é considerado como espécie inerte, que apenas troca calor com o ambiente (16). O modelo de combustão utilizado, EDM (Eddy Dissipation Model), foi comparado por Shen et al. (16) em suas pesquisas, com outros modelos como o modelo USM (Unified Second-order Moment), o modelo Flamelet e o modelo PDF (Probability Density Function), concluindo que o modelo EDM, apesar de possuir limitações em algumas aplicações, principalmente para a combustão de gases, possui boa aplicabilidade para combustão de carvão pulverizado, se apresentando amigável à precisão dos resultados e à exigência computacional, sendo considerado adequado para este trabalho. 5.2.4 Acompanhamento da solução Esta etapa, por si só, não demanda quase nenhuma intervenção do usuário, pois, basicamente, estarão sendo realizadas operações pré-configuradas na etapa de pré-processamento do caso. Para iniciar a simulação, deve ser informado ao programa onde o caso será calculado e, para o caso de processamento paralelo, o número de processadores a utilizar. O caso ainda pode ser calculado com precisão simples ou dupla, o que gera impacto na quantidade de memória necessária e também, numa escala menor, no tempo computacional gasto (44). O Ansys CFX possui interface gráfica que permite o acompanhamento em tempo real do desenvolvimento da solução. Nesta fase o que mais importa é o acompanhamento do decréscimo dos resíduos das equações, a variação das propriedades relevantes do escoamento que estejam sendo monitoradas e os desequilíbrios entre fluxos de propriedades que entram e saem do domínio, obtendo a “convergência” quando todos os níveis de resíduos estiverem abaixo dos níveis especificados. A sequência de solução é mostrada na Figura 5.2.5. Para este trabalho foi determinado como critério de parada para a convergência dos resultados, resíduos menores que 1e-6 para as conservações de massa, momento, energia, espécies químicas e turbulência. Outro fator importante avaliado foi o desequilíbrio do sistema. São geradas para todas as equações de transporte, com exceção das equações de turbulência, estatísticas de conservação que são importantes para averiguar a convergência da solução, sendo que baixos valores indicam que o objetivo da convergência está sendo REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 85 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos alcançado. Foi estabelecido neste trabalho como critério de convergência valores de desequilíbrio abaixo de 1%. Figura 5.2.5 - Visão geral simplificada do método de solução (55). 5.2.5 Monitoramento de partículas O modelamento multifásico se refere a uma situação onde mais de um fluido está presente. Cada fluido pode representar seu próprio campo de fluido, ou todos os fluidos podem abranger o mesmo campo de fluido. Uma variedade de modelos que permitem a simulação de múltiplos fluidos, bolhas, partículas sólidas e fluxos livres podem ser encontrados nos softwares de CFD, sendo dois modelos distintos para fluxo multifásico: um modelo multifásico Euleriano e um modelo multifásico de monitoramento de partícula Lagrangeano (36; 37) . Pelo método Euleriano é calculado o campo de pressões p(x, y, z, t), que uma partícula experimenta à medida que se move através do domínio físico e não há variação de pressão, REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 86 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos p(t). No método Lagrangeano, a partícula que se move através do domínio físico é acompanhada individualmente. O modelo de transporte de partículas é capaz de modelar fases dispersas o qual são discretamente distribuídas em uma fase contínua. Essa prática pode descrever partículas sólidas dispersas no ar desde o transporte pneumático de sólidos até o transporte de partículas em suspensão. Como a fase é dispersa, cada partícula interage com as partículas do fluido. Para calcular o comportamento da partícula, outro método para descrever a trajetória é necessário. O método mais amplamente aplicado disponíveis para determinar o comportamento da fase dispersa é acompanhar várias partículas individuais através do campo de fluxo. Cada partícula representa uma amostra de partículas que segue um caminho idêntico. O comportamento das partículas controlado é utilizado para descrever o comportamento médio da fase dispersa, e pode ser representado por uma gota, contínuo ou bolha. Este método é chamado de análise de fluxo separado. Este modelo foi implementado como um modelo de rastreamento Lagrangeano para caracterizar o comportamento do fluxo de uma fase dispersa e está disponível no software comercial ANSYS-CFX 12.1. A fase total particulada é modelada como uma amostra de partículas individuais. O acompanhamento das partículas é realizado através da formação de um conjunto de equações diferenciais ordinárias no tempo para cada partícula, que consiste de equações para a posição, velocidade, temperatura e espécie. Essas equações são então integradas utilizando um método de integração simples para calcular o comportamento das partículas através do domínio do fluido. O coeficiente de arraste CD, como já mencionado depende das características do escoamento, bem como das propriedades da partícula carreada. Neste caso, utilizou-se o modelo de Schiller-Naumann por proporcionar uma melhor precisão tanto em baixos como em altos números de Reynolds. Ainda devido a alta velocidade e número de Reynolds no modelo optou-se por utilizar a dispersão turbulênta da partícula, que mesmo aumentando o tempo computacional, representa com maior realidade o monitoramento das partículas. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 87 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capítulo, o modelo computacional é primeiramente comparado com o modelo físico buscando validar os resultados práticos do espalhamento do material pulverizado. Os resultados obtidos na simulação física são tratados e dimensionados para avaliar o ângulo de espalhamento do pó injetado nas diferentes configurações de ventaneiras, sendo estes dados posteriormente tabelados. No modelo validado foram trabalhadas novas simulações considerando a combustão do carvão pulverizado, granulometria adequada e com os parâmetros físicos e químicos pré-determinados. Todos os dados serão comparados entre si para avaliar o método de injeção mais eficiente, sendo considerados o melhor espalhamento de carvão pulverizado, a temperatura média dos gases e das partículas no interior da zona de combustão, os vetores de velocidade e espécies químicas. 6.1 Resultados da Simulação Física Os resultados das simulações físicas para as diferentes configurações de ventaneiras mostraram que o tipo de injeção causa influência direta no comportamento da partícula, promovendo maior ou menor espalhamento na zona de combustão. Os testes foram realizados com objetivo de descrever e comparar o comportamento de Lança Simples (LS), Lança Dupla (LD); Lança Swirl 0.12 (S=0.12) e Lança Swirl 0.24 (S=0.24). Durante os testes, as quatro configurações de ventaneiras foram comparadas utilizando a mesma taxa de injeção, sendo que, na ventaneira de lança dupla, a vazão de finos total está dividida nas duas entradas. Na Figura 6.1.1 é possível observar que a ventaneira com lança simples apresenta, nas mesmas condições de injeção e velocidade, menor espalhamento quando comparado com a ventaneira de lança dupla, sendo o início do espalhamento do pó injetado mais distante da ponta da ventaneira. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 88 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.1.1 - Comparação das Ventaneiras de (a) Lança Simples e (b) Lança Dupla. Na Figura 6.1.1 a graduação na parte superior das imagens representa intervalos de 100mm com um total de 700mm. Na Figura 6.1.1(a), o material pulverizado está concentrado ao final dos 700mm, enquanto que na Figura 6.1.1(b), o espalhamento é consideravelmente maior. Observando a saída da ventaneira para lança dupla é possível notar que ocorre uma intensa colisão entre as partículas provocando um espalhamento superior quando comparado com lança simples. Já na ventaneira de lança dupla, é possível notar uma maior influencia da velocidade do ar no espalhamento do pó, resultados também constatados por Maki et al. (11) que, através de modelos matemáticos, atribuem a injeção de partículas de carvão uniformemente espaçadas capaz de promover uma combustão mais eficiente. Os autores avaliaram três configurações diferentes, sendo: (1) lança simples convencional; (2) lança dupla e (3) lança dupla com configuração excêntrica. Os autores afirmam que a configuração de dupla lança excêntrica se mostrou a mais eficaz, quando se compara a eficiência de combustão e concluíram que a maior taxa de injeção, acima de 200kg/ton de ferro-gusa, é favorecida pela melhor distribuição das partículas de carvão proporcionada pelas lanças duplas e excêntricas. A Figura 6.1.2 mostra a trajetória das partículas calculada pelo modelo de Maki et al. (11). REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 89 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.1.2 - Efeito da disposição das lanças de injeção de carvão pulverizado. η é a eficiência de combustão medida pelo modelo a distancia de 300mm da lança (11). Quando se compara as configurações de lança simples e lança dupla com as novas configurações S=0.12 e S=0.24, é possível observar que o efeito da turbulência gerada pelo ar de entrada proporciona maior espalhamento à medida que aumenta o fator S. Isso porque a velocidade centrífuga promovida na partícula faz com que o espalhamento aumente, sendo maior o efeito desse próximo a saída da ventaneira. Tal efeito é muito comum em eficientes queimadores, devido a grande mistura causada pelos swirllers dispostos nestes equipamentos. A Figura 6.1.3 mostra a relação do tipo de injeção com o espalhamento obtido na região de combustão. Os resultados apontados na Figura 6.1.3 (a) e (b) mostram que, para lança simples, o ângulo de espalhamento obtido é de 12 o e para o sistema de dupla lança, o espalhamento é quase 30% maior. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 90 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.1.3 - Efeito do espalhamento do material injetado nas ventaneiras (a) lança Simples, (b) Lança Dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. O maior espalhamento do combustível proporcionado pelo sistema de dupla lança permite um maior abrangência deste na zona de combustão, quando comparado com a sistema de lança simples, o que possibilita aumento da eficiência de combustão, como já afirmado por Maki et al. (11) . A maior eficiência permite maiores taxas de injeção, visto que menor é o risco de diminuição da permeabilidade no homem morto, causado principalmente pela deposição de finos não queimados, causando o fenômeno conhecido como ninho de pássaro (bird's nest). Já os sistemas de injeção com fatores de torção S=0.12 e 0.24, mostrados na Figura 6.1.3 - (c) e (d), respectivamente, apresentam grandes incrementos no ângulo de espalhamento do material injetado, quando comparado com os sistemas de lança simples e lança dupla, o que proporciona maior interação da partícula com o ar que a transporta. Os ângulos de 19o e 24 o são muito maiores do que os obtidos nas lanças simples e dupla, com respectivos 12o e 16 o. 6.2 Resultados da Simulação Numérica a frio Com posse dos dados físicos experimentais, utilizou-se nesta etapa a validação do modelo numérico através da avaliação do espalhamento do material injetado no ambiente. Condições de pressão, vazão, velocidades, temperatura e umidade foram estabelecidas conforme dados obtidos na simulação física. Para esta etapa, 5000 partículas foram utilizadas para representar REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 91 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos o volume total de partículas no domínio, sendo este número estabelecido após variações da influência deste na representatividade dos resultados. Shen et al. (57) considera em seus estudos 900 partículas representando a injeção de carvão em seus trabalho. A primeira fase deste estudo é avaliar a velocidade do gás de entrada na zona de combustão, como mostra a Figura 6.2.1. Figura 6.2.1 - Perfis de velocidade dos sistemas de (a) lança simples, (b) dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. A análise da velocidade permite avaliar o comportamento do ar de entrada dos diferentes tipos de injeção. Devido ao jato mais turbulento, devido ao aumento da componente tangencial em relação à componente axial do escoamento, o alcance da chama pode diminuir, reduzindo também a região de combustão, o que deve ser evitado com o redimensionamento da velocidade ideal para não permitir tal queda. Porém, para baixos fatores de torção, a velocidade axial não sofre grande influência, como mostra a Figura 6.2.2, que compara a velocidade os diferentes tipos de injeção avaliados neste estudo com a distância das ventaneiras. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 92 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 120 Lança Simples Velocidade [m/s] 100 Lança Dupla 80 S=0,12 S=0,24 60 40 20 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Distancia da Ventaneira [m] Figura 6.2.2 - Velocidade dos diferentes tipos de injeção em relação a saída das ventaneiras. Considerando que o comprimento da zona de combustão, que possui forte relação com a velocidade de entrada do ar aquecido, não foi alterado de forma significativa pelas diferentes configurações de ventaneiras avaliadas, a segunda etapa é avaliar o comportamento da fase partículada injetada no domínio computacional. Para avaliar seu comportamento e a precisão dos modelos escolhidos, os resultados da simulação foram comparados com os resultados obtidos nos testes físicos, como mostra a Figura 6.2.3. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 93 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.2.3 - Espalhamento previsto pelo modelo numérico empregado. Para quantificar os resultados das simulações físicas e compará-los com os resultados numéricos, a área delimitada pelo espalhamento para todos os sistemas de injeção estudados, com distância variando de 0 a 1m da ventaneira foram calculados para avaliar a disponibilidade de área superficial para a combustão, sendo apresentado na Tabela 6.2.1. Tabela 6.2.1 - Área superficial de espalhamento do carvão pulverizado. Simulação Física Simulação Numérica Diferença Ângulo Área Ângulo Área % Lança Simples 12o 0,071[m2] 13o 0,074[m2] 4,22 Lança Dupla 16o 0,091[m2] 15o 0,090[m2] 1,1 S=0.12 19o 0,106[m2] 18o 0.105[m2] 0,94 S=0.24 24o 0,132[m2] 23o 0,131[m2] 0,75 Para o desenvolvimento do estudo computacional, o modelo Lagrangeano foi escolhido por representar de forma clara a trajetória independente de cada partícula. Ainda foi adicionado o modelo de colisão de partículas, com coeficiente de restituição adequado, para garantir o choque estatístico entre as partículas, representando o fenômeno real. Neste contexto, é possível observar que o espalhamento dos diferentes tipos de injeção se aproximam daquele obtido no aparato físico, onde pequenas variações foram encontradas. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 94 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A modelagem Lagrangeana se restringe a sistemas dispersos. Para sistemas multifásicos Euler-Lagrange, a fase contínua é modelada considerando um referencial Euleriano e a fase dispersa um referencial Lagrangeano. No referencial Euleriano as equações de transporte são empregadas para a representação da fase contínua, enquanto que a fase dispersa é resolvida acompanhando o caminho percorrido das partículas através do campo formado da fase contínua. A fase dispersa troca quantidade de movimento, massa e energia com a fase contínua. Dessa forma, há forte influência do campo contínuo nas partículas devido seu tamanho. É possível observar na Figura 6.2.4 que as partículas mais finas são mais dispersadas à medida que se afastam da superfície. Já as partículas maiores e mais pesadas, são aglomeradas durante um grande trecho no escoamento, se dispersando mais distante da saída da ventaneira. Ainda podemos ressaltar a distribuição granulométrica na saída do domínio, onde o sistema de lança simples, mostrado na Figura 6.2.4-(a) apresenta a maior concentração de partículas grandes no centro do jato e os demais sistemas proporcionando maior espalhamento. O sistema apresentado na Figura 6.2.4-(d), que possui fator de torção S=0,24, além de proporcionar o maior espalhamento, também apresenta a maior dispersão das partículas maiores. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 95 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.2.4 - Distribuição do tamanho das partículas nos sistemas de injeção (a) de lança simples, (b) de lança dupla, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. Comparando a Figura 6.2.4(a) e (d) é possível levantar algumas hipóteses de comportamento durante o processo no alto-forno. Para o caso da Figura 6.2.4(a), as partículas de maior granulometria e sua concentração no centro aumenta a possibilidade de uma dificuldade para a sua completa queima até o encontro com o homem-morto, limitando os valores de injeção devido a ameaça de perda de permeabilidade do alto-forno. No caso mostrado na Figura 6.2.4(d) a mistura de granulometrias logo na saída da ventaneira permite uma maior área de contato das partículas maiores com ambiente da zona de combustão, assim como um tempo maior para as reações de combustão favorecendo os processos topoquímicos de redução da granulometria da partícula. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 96 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 6.3 Simulação numérica com combustão Para trabalhar com dados próximos aos dados reais do alto-forno de 700 toneladas de gusa diários estudado neste trabalho, utilizou-se as dimensões apresentadas na Figura 6.3.1. A região delimitada pelo domínio se restringe aos dados obtidos através de dimensionamento da zona de combustão, considerando o diâmetro de 5m do forno. Nesta etapa, o domínio em escala 1:1 foi escolhido para representar com maior riqueza de detalhes o funcionamento do equipamento real com as variadas técnicas de injeção testadas. Figura 6.3.1 - Principais dimensões para determinação da geometria do equipamento estudado. De posse das informações apresentadas, a geometria que representa a zona de combustão, utilizada neste estudo, se restringe a 1800mm de comprimento e 600mm de diâmetro. Já o diâmetro da ventaneira, comum a todos os sistemas de injeção, possui diâmetro de saída de 120mm, como mostra a Figura 6.3.2. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 97 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.3.2 - Principais dimensões em milímetros da geometria utilizada na simulação com combustão. Para representar as condições de contorno reais do alto-forno de 700 toneladas de gusa diárias em estudo, os parâmetros de entrada foram ajustados conforme dados operacionais, apresentados na Tabela 6.3.1. Tabela 6.3.1 - Principais Condições de Simulação. Descrição Unidade Presente Estudo Shen et al. (47) Velocidade Sopro m/s 140 137 Temperatura Sopro K 1273 1473 Partículas kg/tGusa 150 80-190 C [%] 74.05 89.1 H [%] 5.31 4.7 N [%] 1.6 1.7 S [%] 0.35 0.37 O [%] 11.99 4.1 Ainda é possível observar na Figura 6.3.2 que o objetivo da região delimitada pela geometria cilíndrica escolhida é permitir a comparação de resultados com outros autores, entretanto, é sabido que a geometria não corresponde a realidade prática. Isso porque ao final da região REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 98 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos está o homem-morto, sendo na simulação numérica uma região livre. Também as paredes cilíndricas impõem perfis de escoamento diferentes de um alto-forno, que possuem formatos variados constituindo em seus limites de camadas porosas que influenciam o escoamento. Comparando os resultados encontrados com o de Shen et al. (47) , verifica-se que apesar da menores dimensões e das diferentes condições iniciais, os resultados de temperatura se assemelham, como mostra a Figura 6.3.3. Em seus estudos, Shen et al. (47) utilizaram geometria que representa o simulador físico, que consiste em uma passagem tubular, com restrição no diâmetro do duto para 70mm, simulando a passagem pela ventaneira e, posteriormente, expande para um tubo de 300mm que representa a zona de combustão. Figura 6.3.3 - Comparação das principais dimensões e do perfil de temperatura entre os métodos de injeção de (a) LS deste trabalho com (b) o modelo de LS estudado por Shen et al. (47). O efeito da queima do carvão fica ainda mais evidente com o aumento da temperatura média dos gases no interior da zona de combustão, mostrado pela Figura 6.3.4. Avaliando a temperatura ao longo do comprimento, é possível observar que alterações na temperatura do ar de entrada, do tipo de carvão e também do diâmetro médio das partículas influenciam diretamente no comportamento do carvão queimado e na temperatura adiabática de chama. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 99 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos O fato de a temperatura de injeção do modelo de Shen et al. (47) ser maior que a do trabalho atual mostra que a chama tende a se aproximar da ventaneira. Isso porque o aumento da temperatura de entrada permite um aumento no aquecimento da partícula, promovendo a liberação de voláteis e diminuindo o tempo de queima. É possível notar ainda que o aumento gradual da temperatura dentro da zona de combustão é melhor distribuído, devido ao fato de que, neste experimento há paredes aquecidas que limitam a passagem do gás para o ambiente por todos os lados, como ocorre numa zona de combustão real. Temperatura do gás [K] 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 LS - Autor 1400 LS - Shen et al. 1300 1200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Distância da Ventaneira [m] Figura 6.3.4 - Temperatura dos gases na zona de combustão, comparados os modelos de LS deste trabalho com o de Shen et al. (47). O mesmo ocorre quando comparamos a temperatura média das partículas. Este parâmetro, também analisado por Shen et al. (47) mostra através da Figura 6.3.5 que, os valores de temperatura das partículas de um tipo B, estudada pelos autores, são próximos ao encontrado neste estudo para o sistema de lança simples. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 100 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.3.5 - Temperatura das partículas para (a) sistema de LS deste trabalho e (b) modelo de Shen et al. (47) Na Figura 6.3.5 é possível notar uma concentração de material sem ignitar na parte inferior de ambas as simulações, denotada pelas temperaturas inferiores a 1000 oC. Esta fenômeno pode estar associado ao ângulo de inclinação das lanças de pós em relação ao centro da ventaneira, formando uma região de alta concentração de finos injetados com redução de área superficial e consequentemente frentes para ignição e combustão das partículas. Quando comparamos os resultados dos diferentes tipos de injeção deste trabalho, podemos notar diferentes comportamentos da chama na zona de combustão. A Figura 6.3.6 mostra o perfil de temperatura dos diferentes métodos de injeção. Figura 6.3.6 - Perfil de temperatura para os tipos de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 101 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Nota-se nestas imagens que um maior aporte térmico é oferecido pela lança LD quando comparado com a lança LS. Já quando comparamos os conjuntos de torção S=0.12 e S=0.24, evidencia-se um aumento no aporte térmico, principalmente nesta última, que proporciona um poder de queima superior em relação aos demais. Aumentando-se o fator de torção, a queima do carvão pulverizado fica próximo da saída da ventaneira. O maior espalhamento promovido pelo sistema S=0.24 permite que as partículas maiores se espalhem mais próximo da saída da ventaneira, proporcionando uma maior mistura entre gás e partículas na zona de combustão. O aquecimento pela radiação da carga metálica e do ar aquecido promove a rápida combustão, diminuindo seu tempo de residência, liberando voláteis e queimando quase que instantaneamente. Esta condição fica muito evidenciada na Figura 6.3.7, quando comparamos a temperatura máxima nos quatro diferentes tipos de injeção. Temperatura máxima adiabática do gás [K] 3000 2800 2600 2400 2200 LS 2000 LD 1800 1600 S=0.12 1400 S=0.24 1200 0 0,5 1 1,5 Distância da Ventaneira [m] Figura 6.3.7 - Comparação da temperatura do gás na zona de combustão dos diferentes métodos de injeção estudados. Também é observado (Figura 6.3.8) o aumento na eficiência da queima do carvão, utilizando o sistema S=0.24, onde a temperatura média da zona de combustão se eleva rapidamente próximo a ventaneira, devido ao maior espalhamento e mistura do combustível pulverizado, REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 102 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos diminuindo posteriormente sua temperatura no final da zona de combustão. Este comportamento é observado somente nesta configuração, sendo que os demais sistemas de injeção (LS, LD e S=0.12) apresentam menor temperatura próximo a ventaneira, e evoluindo à medida que o carvão é queimado. Temperatura média dos gases [K] 2250 2100 1950 1800 LS 1650 LD 1500 S=0.12 1350 S=0.24 1200 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Distância da Ventaneira [m] Figura 6.3.8 - Temperatura média da zona de combustão para os diferentes métodos de injeção estudados. O comportamento das curvas obtido na Figura 6.3.8 apresenta uma possibilidade de aumento da taxa de injeção utilizando o sistema S=0.24, visto que com a maior eficiência na combustão, espera-se a queima do combustível sem a deposição de carvão cru. Quando comparado com o modelo de Shen et al. (47) (Figura 6.3.9) com o modelo de torção S=0.24, é possível observar que a temperatura média dos gases na zona de combustão é muito parecida, mesmo a temperatura de entrada do ar aquecido ser de 1200 oC contra 1000oC no modelo deste trabalho. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 103 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Temperatura média dos gases [K] 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 S=0.24 - Autor 1400 LS - Shen et al. 1300 1200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Distância da Ventaneira [m] Figura 6.3.9 - Comparação entre o modelo de lança simples testado por Shen et al. (47) e o sistema de injeção S=0.24 deste trabalho. O rápido aquecimento das partículas combinado com o melhor espalhamento do carvão pode proporcionar condições favoráveis para o aumento da taxa de injeção também para fornos que possuem aquecedores do tipo Glendons, que com temperaturas de sopro inferiores a 1000 oC, podem proporcionar queimas mais eficientes e aumento na produtividade. O efeito de torção aumenta a área de contato já na saída da ventaneira, iniciando o processo de combustão e o aumento gradativo da temperatura. Para as lanças simples é necessário ocorrer primeiro perda de velocidade para que o espalhamento ocorra e as partículas entre em combustão. O aumento da temperatura também pode ser observado pelo o campo de concentração de dióxido de carbono (CO2) na zona de combustão (Figura 6.3.10). A formação do gás devido a queima do carvão tem maior concentração no início da zona de combustão, quando se iniciam as reações, e há uma tendência de diminuição da concentração à medida que se afasta da lança, devido a difusão do gás com demais gases no interior do domínio. A região de REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 104 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos concentração de CO2 apresenta um comportamento muito parecido com o perfil de temperatura, visto que este é proveniente das reações exotérmicas no interior da zona de combustão. Figura 6.3.10 - Fração mássica de CO2 nos sistema de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. Para validar o modelo, assim como Shen et al. (47), utilizou-se uma relação da quantidade de cinzas do carvão na injeção (ma,o) com a quantidade de cinzas na saída (ma), apresentada pela equação (6.3.1). ma ,o 1 m a B 1 ma (6.3.1) Desta forma, é possível acompanhar a evolução das partículas de carvão queimadas nos diferentes tipos de injeção. É possível observar na Figura 6.3.11 que o avanço na queima do carvão injetado é diferente nas injeções, sendo mais evidenciado e eficaz no sistema de torção com fator S=0.24. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 105 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos Figura 6.3.11 - Fração de partículas queimadas nos métodos de injeção (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24. O espalhamento mais evidenciado promovido pelo fator S=0.24 também pode ser visto na Figura 6.3.12. Quando se compara os quatro métodos de injeção a 1 metro de distância da ventaneira, observa-se que o núcleo de espalhamento é muito superior nos fatores de torção quando comparado aos métodos tradicionais de Lança Simples e Dupla. Para a LS (Figura 6.3.12(a)) um núcleo de partículas aglomeradas, com diâmetro de espalhamento de aproximadamente 130mm, sendo observado pequena quantidade de partícula dispersa fora desse núcleo. Para o sistema LD, mostrado na Figura 6.3.12(b), é possível observar um leve aumento no diâmetro de espalhamento, com um núcleo potencial de partículas de aproximadamente 150mm. Avaliando o espalhamento para os sistemas de torção, observa-se que um grande espalhamento é obtido, mesmo em baixos índices de torção. Para o sistema de injeção S=0.12, é possível observar pela Figura 6.3.12(c) que, apesar da formação de um pequeno núcleo denso de partículas, há também um maior espalhamento das partículas que estão na periferia do núcleo e que foram influenciadas pelos vetores de rotação do ar injetado. Este fenômeno fica mais evidenciado quando um fator de torção mais forte S=0.24 é utilizado (Figura REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 106 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 6.3.12(d)). Observa-se nesta configuração que não há mais um núcleo de partículas, sendo estas distribuídas com maior uniformidade na zona de combustão, o que promove uma queima mais eficiente. Figura 6.3.12 - Fração volumétrica do combustível em (a) LS, (b) LD, (c) S=0.12 e (d) S=0.24.Corte transversal distante 1m da saída da ventaneira. Medidas em milímetros. Os métodos de injeção de combustíveis pulverizados através de lança simples e dupla, comumente utilizados na industria, possuem um comportamento de lento espalhamento à medida que a partícula se distancia da saída da ventaneira. Já nos sistemas de injeção com torção, este espalhamento aumenta cada vez mais à medida que se afasta da ventaneira. A Figura 6.3.13 ilustra o efeito proporcionado pelo método de torção quando comparado aos métodos LS e LD. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 107 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos A partícula viajando pela zona de combustão sofre os efeitos da fase contínua, representada pelo ar de entrada. Dessa forma, quando a partícula é carreada por uma fase contínua com o efeito de torção, esta é lançada pelo escoamento que se espalha cada vez mais à medida que se desloca pelo domínio. Abertura de espalhamento [m] 0,5 0,45 LS 0,4 LD 0,35 S=0.12 0,3 0,25 S=0.24 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 Distância da Ventaneira [m] Figura 6.3.13 - Evolução do espalhamento com o distanciamento da ventaneira. No caso dos sistemas de injeção LS e LD, quem sofre primeiro os efeitos do escoamento são as partículas de menor diâmetro, e posteriormente as de maior diâmetro, e por isso uma maior distância é necessária para que as partículas do centro se espalhem. Nos sistemas com fatores de torção S=0.12 e S=0.24 o efeito é sentido também pelas partículas mais pesadas, e a tendência do espalhamento é aumentar ainda mais próximo a saída da ventaneira com maiores fatores de torção. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 108 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 7. CONCLUSÕES Discutiu-se neste trabalho o efeito de diferentes métodos de injeção de combustíveis pulverizados em ventaneiras de altos-fornos, onde testes físicos e numéricos serviram de ferramentas para validar suposições teóricas levantadas na revisão bibliográfica. Os resultados iniciais indicaram que o comportamento das partículas capturados durante a simulação física se apresentaram muito similares aos obtidos com a simulação numérica. O espalhamento do carvão pulverizado apresentou diferenças significantes com a variação dos sistemas de injeção. Comparando os resultados distantes até 1 metro da saída da ventaneira, os sistemas de injeção LD, S=0.12 e S=0.24 apresentaram aumentos médios no espalhamento do combustível de aproximadamente 26%, 75% e 111% respectivamente. Comparado os resultados da temperatura média da zona de combustão para os sistemas de injeção com LD e LS, observou-se valores semelhantes, com variação média de aproximadamente 1% maior para o sistema LD. Já quando comparou-se os sistemas convencionais LS e LD com os sistemas propostos pelo autor S=0.12 e S=0.24, observou-se grande aumento na temperatura média da zona de combustão, sendo na média aumentos de 2% e 7% respectivamente. Já quando se comparou o sistema de injeção de LS utilizado com autores citados, o sistema de injeção S=0.24 desse trabalho apresentou maior espalhamento inicial do combustível pulverizado e rápida elevação na temperatura da zona de combustão, mesmo com temperatura de sopro 200 oC inferior a de Shen et al. (47) . Os resultados mostraram que a evolução da temperatura média na zona de combustão para o sistema de injeção S=0.24 com temperatura de sopro de 1000oC pode ser comparado a um sistema de lança simples com temperatura de sopro de 1200oC, onde acredita-se que maiores taxas de injeção possam ser utilizadas em altos-fornos a carvão vegetal e em plantas que possuem Glendons como aquecedores do ar. Em todos os parâmetros analisados, o sistema de injeção S=0.24 se mostrou mais eficiente, sendo que, o fator S=0.12 apresentou resultados parecidos ao sistema LD e o sistema LS, mais simples, obteve os piores resultados. A comparação dos resultados deste trabalho, comparado aos resultados obtidos por autores na literatura, mostraram que o método de injeção com número de torção S=0.24 apresentou ser REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 109 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos mais eficiente no espalhamento das partículas, mistura e queima. O modelo de combustão ainda deve ser validado na prática em laboratórios e industrial. Diversas variáveis importantes não foram avaliadas neste estudo, e devem ser estudadas com maior profundidade antes dos testes físicos práticos. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 110 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Para a continuidade do trabalho, segue algumas sugestões para a continuidade da modelagem física e numérica do sistema de injeção de combustíveis pulverizados em altos-fornos. Avaliar diferentes taxas de injeção e tipos de combustíveis pulverizados. (Carvão Mineral, Carvão Vegetal, Óleo, Gás Natural e mistura de combustíveis); Detalhar e comparar o comportamentos de diferentes tipos de partículas de combustíveis, bem como aquecimento, trajetória, consumo de combustíveis com simulações físicas); Utilizar modelos de turbulência mais precisos. Mesmo os modelos reproduzindo de forma satisfatória as simulações físicas, pode-se avaliar com mais riqueza de detalhes os efeitos da turbulência no campo de escoamento; Empregar condições transientes para avaliar os efeitos instantâneos dos perfis de temperatura e da trajetória das partículas; Validar os resultados em testes práticos e desenvolver ensaios em escala de laboratoriais, para avaliar condições dinâmicas, físicas, química e térmicas similares aquelas que ocorrem em um alto-forno real. REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS – UFOP / UEMG / CETEC Mestrado em Engenharia de Materiais 111 Simulação física a frio e Numérica da injeção de combustíveis auxiliares em ventaneiras de altos-fornos Bruno Orlando de Almeida Santos 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. IBS. Instituto Aço Brasil. [Online] 2011. [Citado em: 11 de Janeiro de 2011.] http://www.acobrasil.org.br/site/portugues/numeros/estatisticas.asp. 2. ASSIS, P. S. Injeção de materiais pulverizados em altos-fornos. 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