Charcoal cooling kinetics: computational simulation and industrial applications

• Autor(a) principal: Bustos Vanegas, Jaime Daniel
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: LOCUS Repositório Institucional da UFV
• Texto Completo: https://locus.ufv.br//handle/123456789/27369
• topic: Carvão - Propriedades térmicas; Carvão vegetal - Resfriamento; Pirólise; Fluidodinâmica computacional; Simulação (Computadores); Energização Rural

O Brasil é o maior produtor de carvão vegetal de florestas plantadas, com 5,5 milhões de toneladas em 2016. A indústria siderúrgica brasileira consome 85% da produção nacional de carvão vegetal produzido a partir de eucalipto. A tecnologia de uso comum para a produção de carvão em larga escala no Brasil consiste em fornos de alvenaria. Suas paredes e piso são construídos usando materiais isolantes que minimizam as perdas de calor durante a fase de carbonização da madeira. No entanto, a inércia térmica desses componentes implica uma carga térmica adicional que deve ser removida durante a etapa de resfriamento, resultando em longos tempos de operação. A baixa taxa de resfriamento também é devido à geração de calor em reações de oxidação a baixas temperaturas. A intensidade dessas reações depende de interações complexas entre o gás intersticial e a matriz sólida do carvão. Trocadores de calor por convecção natural e forçada foram desenvolvidos por algumas empresas na tentativa de reduzir os tempos de resfriamento. No entanto, ainda há falta de conhecimento sobre a dinâmica do fluxo de gás no interior do forno e reações fisico-quimicas ocorrendo no leito de carvão, o que constitui uma limitação para sua otimização. Neste cenário, na primeira parte deste estudo são apresentadas e discutidas as tecnologias atualmente desenvolvidas para resfriamento de fornos de carbonização, identificando os desafios para sua otimização e os possíveis impactos na qualidade do carvão vegetal. Na segunda parte, foi avaliado o efeito da inércia térmica dos elementos estruturais do forno. Um forno industrial retangular com capacidade de 700 m 3 de madeira foi modelado e validado usando um conjunto de medidas experimentais de temperaturas durante um período de 4 dias de carbonização e 8 dias de resfriamento. Uma análise CFD (Computational Fluid Dynamics) foi realizada para simular o aquecimento e resfriamento do sistema composto de madeira, gases de carbonização, paredes e piso. Na terceira parte, um experimento ao nível de laboratório foi conduzido com o objetivo de avaliar a cinética de oxidação do carvão vegetal a baixas temperaturas quantificando o calor gerado e o oxigênio consumido na reação. Finalmente, foram realizadas análises CFD em duas e três dimensões objetivando avaliar o efeito de uma camada de isolamento térmico cobrindo o piso e de um trocador de calor acionado por convecção natural no tempo e homogeneidade do resfriamento. Com os resultados desta pesquisa pode se concluir que ainda existe uma grande oportunidade de melhora e otimização de sistemas de resfriamento para fornos de carbonização. O perfil de temperatura nas paredes se aproxima de um estado pseudo-estacionário, permitindo modelar este domínio como uma condição de contorno. A transferência de calor no piso é extensa; portanto, a condição de fronteira adiabática não pode ser imposta na interface leito-piso. Uma camada de 3 cm de concreto isolante sobre essa interface poderia reduzir a demanda de energia para o estágio de carbonização em 6% e reduzir o tempo de resfriamento em quase 2 dias. O uso de um trocador de calor de fluxo acionado por convecção natural pode reduzir o tempo de resfriamento entre 27 e 59%, aumentando a produtividade por forno por ano em até 65%. A taxa de consumo de oxigênio aumenta com a temperatura do carvão a taxas que dependem da concentração inicial de O 2 . O início das reações de oxidação foi observado a 67 °C em atmosferas com 20,9% de O 2 . A energia de ativação global para o fenômeno de auto-aquecimento foi 17790 J mol -1 e sua intensidade aumentou com a temperatura e a concentração de O 2 . Nossas descobertas fornecem informações importantes para melhorias na operação do forno e permitem o estabelecimento de condições iniciais consistentes de temperatura e fluxo de calor para modelos cinéticos de resfriamento de carvão vegetal em fornos de alvenaria.