Modelagem e simulação do resfriamento natural de fornos circulares de produção de carvão vegetal

Abstract

O Brasil é o maior produtor de carvão vegetal do mundo, com uma produção de 6933000 toneladas em 2022. Desse total, 86,08 % foram destinados ao abastecimento dos altos-fornos da indústria metalúrgica. No entanto, um gargalo significativo na cadeia produtiva do insumo é o longo tempo de resfriamento em fornos, que pode variar de 3 a 4 dias em pequena escala, influenciando negativamente a produtividade e a competitividade do setor. Diante disso, este estudo tem o objetivo de colaborar com a redução de tempo da etapa de resfriamento da produção de carvão vegetal, por meio da elaboração de um modelo computacional simplificado para simular o resfriamento natural em fornos circulares no sistema fornos-fornalha. As simulações de CFD foram conduzidas no software OpenFOAM utilizando um modelo matemático que considerou materiais isotrópicos, variação da temperatura ambiente com o tempo e alteração das propriedades termofísicas com a temperatura. O domínio computacional foi modelado em duas dimensões. A região de ar externa ao forno não foi representada, porém, para simular a troca de calor com o ambiente por convecção e radiação, aplicou-se um fluxo de calor na fronteira externa do forno como condição de contorno. A região interna de gases foi representada e considerada como fluido estacionário. Ademais, realizaram-se testes com os modelos de radiação viewFactor e P1. A validação deste estudo foi realizada por meio da comparação das temperaturas simuladas com os dados experimentais, nos pontos de coleta de 0,60 m e 1,70 m de altura. Como resultado, observou-se que a melhor acurácia foi obtida com o modelo de radiação P1 com coeficiente de emissão de 10 e absorção de 10 m-¹. Nesse caso, para a posição a 0,60 m do piso, localizada na região do leito de carvão, obteve-se um RMSE de 16,10 °C, um desvio absoluto máximo de 23,32 °C e um desvio no tempo final de 6,18 °C. Para a posição igual a 1,70 m do piso, localizada na região interna de gases, o RMSE foi de 49,74 °C, o desvio absoluto máximo foi de 82,68 °C e desvio no tempo final foi de 5,07 °C. A curva de resfriamento da simulação apresentou concordância comportamental e numérica com a curva experimental. Por meio do estudo, observou-se um significativo fluxo de calor atravessando o solo, justificando sua inclusão no domínio. Em conclusão, este modelo computacional apresentou concordância satisfatória com os resultados experimentais, possibilitando futuras implementações e adaptações a diferentes tipos de fornos.