Uma caldeira flamotubular de 30MW à biomassa não conseguia alcançar sua plena carga, demandando paradas muito frequentes para limpeza do feixe convectivo. As incrustações formadas eram rígidas, incapazes de serem sopradas pelos sopradores de fuligem.
As paradas da caldeira resultavam na interrupção do suprimento de vapor para o sistema de secagem, levando portanto à parada de toda a unidade.
Depois de inúmeras tentativas de resolver o problema diretamente com o fabricante, com modificações que ajudaram apenas marginalmente no problema, a Figener foi contratada para um diagnóstico completo da caldeira.
O Problema: característica químicas das cinzas favorecem o entupimento
Durante a etapa inicial de pesquisa e investigação, a Figener constatou alto teor de potássio no combustível queimado, acima do valor típico para aquele tipo de biomassa. Quando tal combustível é queimado, a cinza possui Temperatura de Amolecimento – temperatura abaixo da qual a cinza pode ser considerada plenamente sólida – especialmente baixa.
A baixa temperatura de amolecimento das cinzas significa que o fluxo de gases de exaustão precisa perder mais calor – logo, se resfriar mais – para que a cinza esteja sólida e possa ser facilmente arrastada. Quando isso não acontece, a cinza chega nos tubos do feixe convectivo ainda parcialmente amolecida, solidificando-se ao encostar nas paredes frias dos tubos. Com o tempo, esse material se acumula em depósitos petrificados até obstruir completamente o tubo, aumentando a pressão da caldeira, reduzindo sua eficiência e levando à parada.
Figura 1: feixe de tubos entupido
A solução passa a ser, portanto, encontrar formas de fazer o fluxo de gases trocar mais calor com a parede d’água da caldeira, chegando no feixe convectivo mais frio do que na condição original.
Uma vez entendido o mecanismo do problema, decidiu-se pelo uso do CFD (Computational Fluid Dynamics) para testar com facilidade diferentes cenários operacionais da caldeira e identificar a condição de máxima eficiência possível e com mínimo risco de entupimento. Com essas simulações, também foi possível testar diferentes intervenções na caldeira (alterar composição da parede d’água, tamanho de determinados trechos, etc) que por outros caminhos seriam demoradas e custosas.
Etapas do Estudo
1. Levantamento bibliográfico de problemas semelhantes
A literatura científica é rica em determinados tipos de problema. Um bom estudo investigativo começa entendendo em que pé o conhecimento científico está sobre aquele tema, juntando publicações diferentes para compor a condição específica do estudo.
2. Modelagem da queima da biomassa e operação geral da caldeira
Queima de material sólido em CFD é extremamente complexa, e muitas vezes pode sair do escopo da realidade industrial. O papel da engenharia consultiva nessas situações é modelar o problema para simplificar fenômenos excessivamente complexos, sem que haja perda de representatividade. Nessa caldeira, modelamos a queima a partir da composição dos gases de exaustão e demais propriedades do combustível.
Figura: linhas de corrente no interior da caldeira
Com isso criamos um modelo cuja simulação levava poucos dias, permitindo o teste de inúmeros cenários diferentes, otimizando a solução encontrada.
3. Seleção dos cenários de teste e simulações
Conhecendo intimamente o mecanismo por trás do problema é possível pensar nos cenários de teste de forma inteligente. No estudo em questão, modificações que aumentem a troca térmica da caldeira foram testadas. Além disso, foi possível identificar o cenário limite de operação da caldeira para que a temperatura na saída fosse suficientemente baixa para evitar os depósitos.
As modificações testadas envolveram:
- Mudança na distribuição de combustível entre as grelhas
- Alteração do balanço de ar secundário
- Aumento da área de troca
- Mudança da composição do combustível (aditivos químicos)
- Aumento da emissividade das paredes d’água.
4. Proposta final de solução do problema
O problema em questão envolve otimização financeira, viabilidade de modificação na caldeira, e balanço do sistema como um todo. Com essas restrições o melhor caminho dificilmente é o óbvio.
Se fosse possível, aumentar a área de troca sem dúvida seria o melhor caminho, mas esbarraria em dificuldades construtivas, custos muito elevados, além de problemas com o galpão onde a caldeira está.
Aditivos no combustível poderiam ajudar, mas a demanda seria muito alta e os custos no longo prazo não valeriam a pena.
A solução foi encontrar o balanço otimizado de ar secundário que garantisse a composição dos gases dentro do limite ambiental, mas que resfriasse suficientemente o fluxo de gases.
Figura: distribuição de temperatura na seção de saída original
Figura: distribuição de temperaturas na seção de saída após modificações propostas
Ademais, determinou-se o ponto operacional limite da caldeira, inferior aos 30MW de projeto. Além de garantir uma operação confiável, esse estudo serviu de amparo técnico para as negociações entre o cliente e o fabricante.
Impactos positivos para o cliente
O estudo liderado pela Figener trouxe ganhos significativos para o cliente, indo além da solução trivial de substituição da caldeira. A análise do problema desde a composição química do combustível permitiu:
- Identificação da causa raiz: foi possível compreender o mecanismo dos depósitos, restringindo as soluções testadas e propostas àquelas que de fato poderiam ajudar
- Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
- Otimização da operação de uma caldeira limitada: com as propostas de solução, foi possível encontrar o melhor cenário operacional possível para aquele equipamento, além de embasar negociações entre os stakeholders.
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