Dimensionamento da chaminé de evacuação dos gases de combustão no âmbito da modernização dos fornos de fusão de alumínio, para controlar as emissões e respeitar as normas ambientais.
O essencial. No âmbito da ampliação da Aluminium Dunkerque, com a instalação de um novo forno n.º 8 de 65 toneladas, a EOLIOS dimensionou por simulação CFD a chaminé de evacuação dos gases de combustão. O estudo combina o enquadramento regulamentar (decreto francês de 2 de fevereiro de 1998, NF EN 13084-1), uma auditoria no local (termografia, ensaios de fumo) e simulações dos modos de fusão e de manutenção dos fornos 7 e 8, para garantir uma tiragem suficiente, dominar as perdas de carga e respeitar as normas ambientais de emissão.
O dimensionamento das chaminés industriais nos setores que tratam matérias-primas, como o alumínio, é essencial para otimizar o desempenho das instalações. Integra critérios técnicos, regulamentares e ambientais, para responder às exigências de eficiência energética e de redução das emissões.
Tomando como exemplo uma missão realizada pela EOLIOS, este artigo examina as especificidades de conceção necessárias às chaminés de fornos de alumínio, sublinhando a importância das soluções avançadas para controlar as emissões de fumos e de gases, respeitando ao mesmo tempo os padrões ambientais.
A evacuação dos fumos de combustão é crucial para o ambiente, a segurança e o conforto dos operadores. O dimensionamento da chaminé é regido por regulamentação. A chaminé atua como um aspirador de fumos, criando uma depressão para extrair os fumos da câmara de combustão. Liberta-os elevando-os para favorecer a sua dispersão e reduzir o seu impacto ambiental.
Não existe obrigação legal, mas uma norma recomenda uma verificação a cada dois anos. As chaminés estão expostas a temperaturas elevadas e a ataques ácidos, exigindo uma vigilância regular.
As principais regulamentações são o Código do Ambiente francês e o decreto de 2 de fevereiro de 1998. Normas como a NF EN 13084-1, a EN 1990, a EN ISO 14122-1 e as fichas técnicas de combustão fornecem orientações para o dimensionamento, a segurança, a conformidade e a gestão dos impactos ambientais ligados à evacuação dos fumos de combustão.
Segurança, ambiente & conformidade. Os fumos de combustão são quentes, corrosivos e podem conter compostos nocivos (partículas de alumínio, gases tóxicos). Um dimensionamento insuficiente compromete a depressão de extração, a dispersão das emissões e a conformidade com o decreto de 2 de fevereiro de 1998.
No âmbito do projeto de aumento da capacidade de produção de lingotes, prevê-se a instalação de um novo forno (n.º 8) ao lado do forno existente (n.º 7). Este forno terá uma capacidade de 65 toneladas e será utilizado para a fusão de metais sólidos, bem como para manter o metal em estado líquido com vista ao vazamento na linha de produção de lingotes. Os dois fornos funcionam em conjunto para assegurar a continuidade da produção. Esta ampliação exigirá uma extração adicional dos gases de combustão para a chaminé existente.
O local da Aluminium Dunkerque, construído em 1991, integrava inicialmente 6 fornos de alumínio, 3 unidades de vazamento de placas e 1 linha de produção de lingotes. Em 2004, foi instalado um sétimo forno e, em 2015, acrescentou-se uma segunda linha de produção de lingotes. Em 2022, a primeira linha de produção de lingotes foi desmantelada. A nave de fundição alberga os fornos alinhados a todo o comprimento, com arejadores para a extração de ar e persianas para a admissão de ar novo.
O dimensionamento de uma chaminé industrial para fornos de fusão de alumínio depende de vários fatores, nomeadamente:
A altura da chaminé é determinada em função dos níveis de emissão de poluentes e da presença de obstáculos que possam impedir a dispersão dos gases. Não pode ser inferior a 10 metros. Esta medida é estabelecida em conformidade com os artigos 53 a 56 do decreto de 2 de fevereiro de 1998, ou calculada com base nos resultados de um estudo das condições de dispersão dos gases adaptado ao local.
A CFD é utilizada para simular e analisar o comportamento dos fluidos (ar, água, gases) no interior de um forno, para compreender os fenómenos de transferência de calor, de velocidade do fluxo e de mistura. A termografia, por sua vez, permite visualizar as variações de temperatura com câmaras de infravermelhos, que convertem as diferenças de temperatura em imagens térmicas. Estas imagens fornecem informações valiosas sobre as zonas quentes, frias e os desvios de temperatura no forno industrial.
Graças à utilização conjunta da termografia e da CFD, os engenheiros podem tomar medidas corretivas para melhorar a eficiência energética do forno, otimizar os processos de produção, reduzir os custos operacionais e maximizar o desempenho global. A termografia permite obter dados em tempo real, não invasivos, sobre as temperaturas no interior do forno, o que facilita a deteção de problemas potenciais (pontos quentes excessivos, zonas de arrefecimento insuficiente).
A auditoria térmica tem por objetivo identificar os locais onde o calor se concentra e criar uma cartografia das zonas quentes e frias. É importante notar que as temperaturas fornecidas visam dar uma estimativa geral e não uma medição precisa.
Os ensaios de fumo visam visualizar a ventilação em torno do forno 7. Estes ensaios, tal como as imagens térmicas, trazem dados complementares para a validação das simulações. Dada a presença de aberturas como a admissão de ar e as aberturas laterais do forno, é essencial considerar o volume que envolve o forno e as condições aeráulicas que nele prevalecem.
O funcionamento do forno divide-se em várias fases distintas: a fusão, a manutenção, a subida de temperatura, a abertura das portas e outras operações. O caudal dos gases varia ao longo destas fases e é influenciado pelo número de fornos em funcionamento. A entrada do forno 8 em alternância é considerada para atingir os caudais de gás necessários em conformidade com a regulamentação.
Um dos métodos essenciais da nossa abordagem é a simulação CFD (Computational Fluid Dynamics). Esta técnica de ponta permite analisar e modelar o comportamento dos fluidos (gases, líquidos, suspensões) através de equações matemáticas complexas resolvidas por computador. Fornecemos assim previsões precisas e detalhadas sobre os fenómenos aerotérmicos, os escoamentos de fluido, as transferências de calor e as perdas de carga.
No caso do dimensionamento de chaminé para forno industrial, a CFD é particularmente útil para compreender e otimizar o processo de combustão. Ao estudar as propriedades do fluido (temperatura, velocidade, pressão) e a sua interação com os diferentes componentes da chaminé, avaliamos as perdas de carga, isto é, as pressões perdidas durante o escoamento através do sistema.
A perda de carga é a queda de pressão sofrida por um fluido que escoa numa conduta, sob o efeito dos atritos e das singularidades (curvas, mudanças de secção). Numa chaminé, perdas de carga demasiado elevadas reduzem a tiragem e comprometem a evacuação dos fumos.
Além disso, a CFD permite analisar a elevação de pressão por tiragem térmica natural na chaminé, essencial para assegurar uma extração eficaz dos fumos usando a diferença de temperatura entre o interior e o exterior. Podemos assim otimizar a conceção para uma tiragem máxima minimizando as perdas de pressão. Por fim, estudamos a erosão pelas poeiras contidas nos fumos: a CFD prevê as zonas sensíveis à erosão, identifica os mecanismos de desgaste e propõe soluções de proteção adaptadas (revestimentos resistentes, alterações de geometria).
A tiragem térmica é o movimento ascendente dos gases quentes na chaminé, provocado pela sua diferença de densidade em relação ao ar exterior mais frio. Quanto maiores o desvio de temperatura e a altura, mais forte é a tiragem : é o motor natural da extração dos fumos.
A estrutura da cobertura tem de ser reforçada localmente para permitir a passagem da chaminé. Está previsto um reforço específico, na forma de uma viga diagonal, para facilitar essa passagem. Dadas as restrições de espaço na cobertura, existem cinco opções possíveis para a localização dessa passagem. As posições 1 e 5 são privilegiadas pela sua acessibilidade e adequação.
Otimizámos as curvas e as ligações para melhorar a eficiência do escoamento. A nossa abordagem consiste em limitar cada curva a um máximo de 3 elementos para controlar os custos de execução.
Realizámos simulações para os dois cenários mais exigentes: o modo de fusão dos fornos 7 e 8 e o modo de manutenção dos fornos 7 e 8. O objetivo principal era avaliar as velocidades de ejeção e os caudais de ar ao nível das admissões de ar situadas acima do ponto de medição.
![Plano de velocidade no eixo e na secção de saída, [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Plano de velocidade no eixo e na secção de saída, [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
As dimensões das admissões de ar eram semelhantes às das chaminés dos fornos 1 a 6. Para a primeira chaminé, as simulações mostraram que as admissões de ar tinham um impacto limitado no escoamento, com caudais de entrada muito abaixo do objetivo fixado; ainda assim, as velocidades à saída mantinham-se conformes aos objetivos. Para a segunda chaminé, as perdas de carga causadas pelas curvas abruptas na conduta do forno 8 tiveram um impacto negativo na tiragem, reduzindo a entrada de ar exterior e, no caso da fusão dos fornos 7 e 8, invertendo o sentido do escoamento. No entanto, a diferença de distribuição de temperatura entre as duas chaminés permaneceu mínima.
Saber-fazer: o dimensionamento das chaminés industriaisDimensionamento de chaminé, tiragem térmica e simulação CFD das emissões industriais.
Uma chaminé bem dimensionada cria a depressão necessária para extrair os fumos da câmara de combustão e liberta-os a uma altura suficiente para favorecer a sua dispersão e limitar o impacto ambiental. O dimensionamento garante uma tiragem suficiente, domina as perdas de carga e assegura a conformidade regulamentar.
Depende dos níveis de emissão de poluentes e dos obstáculos suscetíveis de impedir a dispersão dos gases. Não pode ser inferior a 10 metros e calcula-se segundo os artigos 53 a 56 do decreto francês de 2 de fevereiro de 1998, ou a partir de um estudo de dispersão adaptado ao local.
A tiragem térmica é o movimento ascendente dos gases quentes, provocado pela sua diferença de densidade em relação ao ar exterior mais frio. É o motor natural da extração dos fumos : a CFD permite otimizar a conceção para maximizar essa tiragem minimizando as perdas de carga. Mais detalhes no nosso dossiê o efeito de tiragem térmica.
A termografia e os ensaios de fumo fornecem medições reais (zonas quentes, ventilação em torno do forno) que servem para calibrar e validar as simulações. Associados à CFD, permitem analisar cenários impossíveis de reproduzir no local e tornar o dimensionamento mais fiável.
As principais referências são o Código do Ambiente francês e o decreto de 2 de fevereiro de 1998, completados por normas como a NF EN 13084-1, a EN 1990 e a EN ISO 14122-1. Enquadram o dimensionamento, a segurança, a conformidade e a gestão dos impactos ambientais.
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Dimensionamento CFD da chaminé de evacuação dos gases de combustão para a modernização dos fornos de fusão de alumínio (Aluminium Dunkerque): enquadramento regulamentar (decreto de 2 de fevereiro de 1998, NF EN 13084-1), fatores chave (caudal de gás, temperatura, composição dos fumos), auditoria no local (termografia, ensaios de fumo), modelo 3D e otimização das condutas, simulações dos modos de fusão e manutenção dos fornos 7 e 8 e análise da tiragem térmica.
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