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Os sistemas de combustão são chave para a geração de gases quentes, aquecimento em fornos e geração de energia em termoelétricas. Pela sua peculiaridade, o Brasil produz combustíveis muito pesados, que são mais viscosos a temperatura ambiente do que os existentes em mercados no exterior. Outra coisa, é que a utilização do gás natural é uma tendência, pois não produz SOx e nem particulados, o que é uma vantagem para o meio ambiente. Outros combustíveis como biomassa e hidrogênio estão sendo estudados como alternativa aos combustíveis fósseis. Em menor proporção, combustíveis como coque e carvão vegetal ou mineral ainda são utilizados em alguns processos industriais específicos.
Os queimadores podem ser bastante simples, como uma lança, mas podem ter um sistema de resfriamento próprio para reduzir a temperatura principalmente nas áreas expostas a radiação da caldeira ou do forno. Esses sistemas usam gases, vapor d’água ou colchões de ar estagnado. Temperaturas mais altas podem causar craqueamento do combustível e até entupimento ou mudança da área de descarga. A taxa de mistura turbulenta do combustível com o comburente é fundamental para o desenvolvimento da chama, na qual, geralmente, as reações químicas são mais rápidas que a taxa de mistura turbulenta. Portanto a mistura turbulenta controla a forma e o comprimento da chama na câmara de combustão.
A modelagem de CFD de queimadores e câmaras de combustão é bem desafiadora já que envolve a presença simultânea de escoamentos em regime transônico na lança (Mach entre 0,7 e 1) com em regime subsônico baixo (Mach muito abaixo de 0,3) na câmara, caldeira ou forno. Para isso é necessária uma ferramenta robusta e precisa como o CFD++, que tem o mesmo conjunto de equações nos diferentes regimes. Além desses dois regimes, há também o escoamento de baixo número de Reynolds perto das paredes, onde ocorre a transferência de calor e de quantidade de movimento. O CFD++ pode usar funções paredes.<y+<300), com="" ou="" sem="" rugosidade,="" resolver="" o="" escoamento="" até="" a="" parede,="" indo="" início="" da="" subcamada="" viscosa="" (y+<1).=""
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Quando se trata da cinética química, podem ser usados coeficientes experimentais encontrados na literatura aberta, ou ferramentas como o KinTech Lab e o Cantera, onde são consideradas a evolução das temperaturas e pressões locais para achar os coeficientes da equação de Arrhenius de modo a gerar as taxas de aparecimento ou de desaparecimento de componentes químicos. Ambos, KinTech Lab e Cantera, podem também serem utilizados na redução de mecanismos de reação, que viabilizam o uso acoplado com o CFD++. Por exemplo, um mecanismo completo de queima de metano pode ter mais de 300 reações, mas um mecanismo reduzido pode ter algumas dezenas de reações. Tudo depende de qual o objetivo da análise química. Para cada reação haverá uma equação adicional a ser resolvida pelo CFD++.
Para a Samarco, a ATS realizou simulações CFD para avaliar substâncias e processos com potencial de reduzir emissões de NOx em seus fornos de pelotização. O Cantera foi utilizado no python para representar o processo de geração de NOx, na análise e redução dos mecanismos de reação para a combustão do metano e demais espécies químicas.
A ATS projetou queimador para o forno de pelotização da Vale em Vitória utilizando a ferramenta CFD++. Ela considerou um modelo químico reduzido para calcular as emissões de NOx térmico. Esse modelo cinético foi validado e comparado com dados experimentais da literatura. Foram estudadas quinze configurações e diferentes estratégias para a redução das emissões de NOx para o projeto do queimador. A partir das simulações, um protótipo foi construído com base na melhor configuração achada com o CFD++. Foi especificado e construído um cavalete para medições. Por fim, for executado um teste para a validação dos resultados na planta da Vale Vitória.
Para a Braskem, Triunfo-RS, foi projetado um queimador de vinil-acetileno que era instalado numa caldeira tangencial que queimava também óleo e carvão. Foram feitos estudos para o resfriamento do queimador e cálculo preciso da carga térmica por radiação da caldeira, que precisou da análise do CFD++ para calcular os fatores de forma. Mais ainda, a ATS também estudou o escoamento dentro da caldeira tangencial, com combustão, para representar a bola de fogo central. As mudanças foram implementadas pela Braskem e foi verificado que as previsões do CFD++ estavam adequadas e precisas.
A análise de qualidade do ar para grandes áreas (~ 50km), é feita pelo AERMOD um software criado pela U.S. Environmental Protection Agency (US EPA) e amplamente aceito no Brasil. A sua modelagem de emissões atmosféricas leva em conta as vazões de poluentes da indústria, e se for pertinente também pode ser alocado outros agentes emissores como por exemplo carros, ele também leva em conta o relevo local, o terreno e os dados meteorológicos registrados, esses três últimos são integrados pelo AERMET. A simulação executada no AERMOD permite observar os locais com mais concentrações de poluentes ao longo do tempo (últimos anos) e observar as médias locais. Com estes dados é possível planejar os locais de melhor definição para executar a medição da qualidade do ar nas comunidades circunvizinhas a indústria. Também é possível observar o quanto é eficiente um mecanismo de abatimento de poluentes, se o resultado esperado será observado pelas comunidades.A ATS fez estudos de dispersão de poluentes para as plantas de Viana e Linhares da TEVISA (Termelétrica Viana), no Estado do Espírito Santo, e da Petrobras no Estado do Rio de Janeiro. O relatório com os resultados foi aprovado pelos órgãos ambientais de cada estado.
A ATS possui certificado CTF/AIDA e capacitação para uso do AERMOD, AERMET e CALPUFF (~200km).
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