Modelagem em CFD de uma caldeira de leito fluidizado borbulhante para indústria de celulose e papel

Abstract

Resumo: No setor de utilidades de uma indústria, as caldeiras são uma alternativa apropriada de sistema de contato gás-sólido para combustão da biomassa. Nas condições operacionais utilizadas, os regimes de escoamentos presentes na fluidização de partículas de areia com biomassa são leito fixo, fluidizado borbulhante e fluidizado circulante. No presente trabalho foi analisado um leito fluidizado borbulhante para a transformação de energia numa indústria de celulose e papel. A metodologia utilizada é composta por modelos de conservação de massa e energia e as simulações foram realizadas através do software ANSYS FLUENT 18.2, que permite a simulação de diferentes processos envolvendo Fluidodinâmica Computacional. A modelagem do processo considera condições bidimensionais e regime transiente na caldeira; e está baseada nos trabalhos realizados experimentalmente em escala laboratorial. Entretanto, ensaios fluidodinâmicos são realizados para obtenção de dados numéricos. Assim, o escoamento multifásico é analisado através da técnica da fluidodinâmica computacional usando uma abordagem Euleriana-Euleriana. Um dos parâmetros de controle que deve ser modelado é a velocidade mínima de fluidização que é obtida através de modelos propostos na literatura. Para o leito operando com misturas de biomassa e areia, a segregação que é indesejável e ocorre em determinados tipos de escoamentos em baixa velocidade. O modelo de arraste das partículas que está sendo estudado é o de Syamlal-O'Brien (1989) para representar o escoamento de partículas de areia ao longo do leito fluidizado. Palavras-chave: Energia. Biomassa. Combustão. Escoamento multifásico. Leito fluidizado. Fluidodinâmica Computacional.

Abstract: In the industrial environment, boilers are an appropriate alternative to the gas-solid contact system for biomass combustion. In operational conditions used, the flow patterns in fluidization of sand particles with biomass are fixed bed, bubbling fluidized and circulating fluidized. In the present work, it was analysed a bubbling fluidized bed for energy transformation in a cellulose and paper industry. The methodology used is composed by mass and energy conservation models and the simulations were realized by the software ANSYS FLUENT 18.2, which allows different process simulations involving computational fluid dynamics. The process modelling considers bidimensional conditions and transient-state in the boiler; and it is based in experimental laboratory scale works. However, fluid dynamics tests are realized to obtain numerical data. Thus, multiphase flow is analysed through computational fluid dynamics techniques using an Eulerian-Eulerian approach. One of the control parameters that must be modelled is the minimum fluidization velocity which is obtained through proposed models on the literature. For a bed operating with biomass and sand mixtures, the segregation is undesirable and occurs in certain types of flow at low velocities. The drag model that has been studied is Syamlal-O'Brien (1989) which represents sand particles flow at fluidized bed. Keywords: Energy. Biomass. Combustion. Multiphase Flow. Fluidized Bed. Computational Fluid Dynamics.