INTRODUÇÃO
Este documento explora soluções para aplicações desafiadoras de retrofit de queimadores de parede radiante. Por exemplo, um desafio significativo que o setor de combustão enfrenta atualmente é conseguir colocar a tecnologia antiga em conformidade com as novas regulamentações sem sacrificar o desempenho. Muitas aplicações existentes de queimadores de parede radiante são desafiadoras para o retrofit de emissões mais baixas com a tecnologia tradicional de parede radiante devido à proximidade do queimador, à interação da chama, às temperaturas elevadas e às variações de combustível, incluindo combustíveis com baixo teor de carbono, por exemplo, o hidrogênio. Neste artigo, Zeeco compartilha como usamos testes físicos em conjunto com CFD para enfrentar esses desafios. Exploramos o uso de nossa abordagem para impulsionar a inovação e criar novos desenvolvimentos de produtos, além de compartilhar as lições aprendidas e os resultados do projeto.
ANTECEDENTES
O objetivo do desenvolvimento do queimador de parede radiante Zeeco era aumentar a capacidade de operar com combustíveis com alto teor de hidrogênio para reduziras emissões de CO2 e NOx, aumentar a vida útil projetada da ponta e reduzir os custos de manutenção esperados. Para atingir essas metas, os projetos do tubo de gás, do venturi e da ponta foram revisados para oferecer uma solução geral simples. Os esquemas que representam o queimador RWSF com preparação interna de gás de combustão e preparação externa de gás de combustão são mostrados na Figura 1 e na Figura 2, respectivamente.
O queimador RWSF com faseamento interno do gás de combustão, mostrado na Figura 1, é utilizado para aplicações com um queimador próximo ao espaçamento entre queimadores e para aplicações com alto teor de hidrogênio. O gás de combustível com estágio fornece uma mistura de combustível mais rica no final da ponta em comparação com a entrada da ponta, o que permite alguma redução de NOx enquanto produz uma forma de chama mais compacta. O projeto simples permite uma fácil manutenção, uma vez que o spud do gás combustível, completo com um riser interno de gás combustível estagiado, pode ser removido ao mesmo tempo da extremidade do queimador. Observe que as ranhuras na ponta são horizontais em relação à extremidade da ponta.
Figura 1. Zeeco Queimador RWSF com preparação interna de gás combustível
Figura 2. Zeeco Queimador RWSF com preparação externa de gás combustível
O queimador RWSF com faseamento externo de gases de combustão, mostrado na Figura 2, é utilizado para aplicações que exigem as menores emissões de NOx. Uma vez que a ponta do queimador de combustível é externa à ponta do queimador de parede radiante, uma verdadeira pré-mistura enxuta de gás combustível e ar de combustão é obtida dentro do venturi antes de sair através das ranhuras da ponta. O gás combustível externo é misturado com os produtos de combustão vizinhos (gás de combustão), o que dilui o gás combustível antes da queima. O uso tanto da pré-mistura enxuta como do gás combustível em estágios resulta em baixas emissões térmicas de NOx. Observe que, como no caso do queimador RWSF com faseamento interno do gás de combustão, as ranhuras na ponta também são horizontais em relação ao final da ponta.
METODOLOGIA
Nas seções seguintes, discutimos com mais detalhes as modificações no spud de gás, venturi, bem como o projeto da ponta do queimador de parede com ranhura horizontal.
Projeto do Spud de gás
O gás spud é o dispositivo que ejeta o gás combustível para dentro do venturi. O conjunto de gás combustível é composto pela conexão de gás combustível, um tee, o spud de gás combustível, o ascensor de gás combustível e a saída de gás combustível (ponta de gás combustível). O conjunto do spud de gás combustível foi projetado para facilitar a manutenção. Uma vez que o ramal de gás estagiado é fixado ao centro do ramal de gás combustível, tanto o ramal de gás combustível quanto o ramal de gás combustível estagiado podem ser removidos ao mesmo tempo para limpeza. Isto economiza tempo e recursos de manutenção, já que muitas plantas têm milhares de queimadores de parede radiante que precisam ser mantidos.
A maioria dos projetos de queimadores de combustível de parede radiante de combustível em fase de preparação requer um queimador primário e um queimador de parede radiante em fase de preparação. Vários spuds requerem mais tempo para serem removidos se a manutenção for necessária, resultando em aumento de custos. Este projeto de queimador utiliza um único batente que inclui a(s) porta(s) primária(s) de gás combustível e a(s) porta(s) de gás combustível estagiada(s). O novo spud está no mesmo local que um spud de gás combustível primário padrão. Uma vez que a porta de gás combustível está no centro do spud, o ascensor de gás combustível no centro do spud e depois inserido através do venturi. No caso de manutenção necessária, o spud pode ser removido exatamente como um spud padrão de queimador de parede radiante, mas ao mesmo tempo, o riser de combustível encenado também é removido. Desta forma, as portas de gás primárias e as portas de gás encenadas são todas removidas ao mesmo tempo, reduzindo o tempo e os custos de manutenção relacionados.
Uma vez que o(s) porto(s) de combustível escalonado(s) está(ão) localizado(s) no centro do depósito de gás combustível, o mesmo projeto pode ser usado para dois tipos diferentes de aplicações de combustível escalonado. O primeiro tipo é o de Combustível Estagiado Interno, que prepara o gás combustível até certo grau dentro da própria ponta. Este método é usado para aplicações de hidrogênio muito alto e para projetos com espaçamento entre queimadores mais próximo do que o habitual. O segundo tipo é o Combustível de estágio externo, onde a ponta de estágio localizada na extremidade do ascensor do gás estágio se estende através de um orifício central no centro da ponta. Este método é utilizado para as aplicações do tipo NOx mais baixo, uma vez que existem zonas de pré-mistura magras distintas e ricas em combustível misturado com produtos da zona de combustão.
Figura 3. Esquema do conjunto de spuds de gás combustível
Projeto Venturi
O processo de desenvolvimento começou com novos métodos e proporções para corresponder ao tamanho do raio do sino de entrada do venturi, diâmetro da garganta, comprimento da seção reta, ângulo da seção de saída, comprimento da seção de saída e diâmetro da seção de saída com a área de saída da ponta. Esta correspondência é usada para melhor utilizar a pressão do combustível para entrar ar de combustão através do venturi e sair da ponta sem limitar o fluxo de ar, mantendo a uniformidade da pressão interna da ponta e, portanto, produz uma ótima utilização da configuração do venturi e da ponta.
Figura 4. A ilustração acima do venturi mostra que a entrada (di) é combinada com o raio de entrada (R), a garganta (dt), o comprimento da seção de saída (lo) e o diâmetro de saída (do).
Design da dica
A maior parte do tempo de desenvolvimento foi focada no projeto da ponta radiante do queimador de parede. Como a pressão interna mínima da ponta resulta na menor velocidade de saída, um foco significativo foi colocado no desenvolvimento de uma pressão interna uniforme para alcançar velocidades de saída uniformes. Isto é muito importante uma vez que o objetivo do projeto do queimador é operar com combustíveis de hidrogênio elevados, que têm velocidades de chama mais rápidas do que o metano, e áreas de baixa velocidade de saída podem resultar em flashback prematuro. Ter pressões de ponta internas mais uniformes (resultando em velocidades de saída mais uniformes) permite que mais da energia gerada pelo gás combustível entre no ar de combustão adicional para obter uma pré-mistura mais enxuta.
A Figura 5 mostra a comparação entre uma ponta com ranhuras verticais e uma ponta com ranhuras horizontais. Para um queimador com ranhuras verticais, para evitar que o queimador volte a piscar com a maior faixa de velocidades de saída, a pressão interna precisa ser aumentada para aumentar a menor velocidade de saída acima da velocidade da chama do hidrogênio para evitar o flashback. medida que o comprimento da fenda vertical aumenta, a velocidade na parte inferior da fenda diminui, já que a distribuição da pressão interna da ponta varia. Isto significa que mais da energia produzida a partir do jato de gás combustível que sai do spud do gás combustível precisa ser usada na ponta, o que resulta em menor disponibilidade para entrar no ar de combustão. Para compensar isto, a quantidade de gás produzido por estágios é normalmente reduzida para aumentar a quantidade de gás primário para gerar mais energia para aumentar as pressões internas dentro da ponta. O resultado negativo disto é que a redução no gás estagiado e o aumento no gás primário torna a zona pré-misturada magra mais rica em combustível e deixa menos gás combustível estagiado para misturar com o gás de combustão, o que resulta em maiores emissões térmicas de NOx.
Figura 5. Comparação entre uma ponta com ranhuras verticais (esquerda) e uma ponta com ranhuras horizontais (direita)
Portanto, para aplicações que requerem longos slots verticais, determinamos que seria melhor usar slots horizontais com um desviador de fluxo interno para produzir uma distribuição de pressão interna uniforme. O uso de um desviador de fluxo permite que o projeto das ranhuras seja como o que é usado para aplicações de menor liberação de calor. Para aumentar a área de fluxo das fendas através da ponta, mais fendas horizontais são adicionadas. Isto permite o uso de um tamanho de ranhura uniforme que é menos propenso a flashback. A fim de aumentar a área de fluxo da ponta da ranhura vertical, o comprimento da ranhura precisaria ser mais longo, uma vez que o número de ranhuras é limitado pelo diâmetro da ponta. Ranhuras mais longas levam a mais variações de pressão que produzem uma gama mais ampla de velocidades de saída. O uso de uma ranhura padrão de alto comprimento e largura da ranhura de hidrogênio juntamente com um desviador interno da ponta produz pressões internas da ponta mais uniformes e permite que o queimador seja projetado com mais estágio de gás combustível e menos gás combustível primário.
Parte do processo de desenvolvimento foi a utilização de ferramentas computacionais para fornecer uma visão do novo design da ponta. Empregamos uma ampla gama de técnicas computacionais, desde simulações CFD (Computational Fluid Dynamics - Dinâmica dos Fluidos Computacional) muito detalhadas, até a exploração do projeto utilizando simulações em estado estacionário, bem como a utilização da FEA (Finite Element Analysis - Análise de Elementos Finitos) para avaliar e reduzir as tensões na ponta.
RESULTADOS
Nossa análise inicial de CFD foi uma análise transitória do fluxo através do venturi para capturar a mistura interna dentro do venturi e resolver o perfil de velocidade à medida que ele sai das ranhuras horizontais na ponta. A geometria utilizada para esta simulação é mostrada na Figura 6. Esta geometria não incluiu nenhuma etapa interna ou externa. Para esta simulação, utilizamos uma malha com mais de 60 milhões de células computacionais hexaédricas (cúbicas), refinadas perto do spud e através das ranhuras horizontais da ponta RWSF. O tamanho da célula variou entre 100 m a 640 m em todo o domínio da simulação. Utilizamos uma Simulação de Foucault Grande (LES) com viscosidade de Foucault Wall-Adaptive Local-Eddy (WALE) para esta simulação com um passo de tempo de 0,0005 segundos, que foi essencial para resolver o espectro de energia necessário. A vazão de ar de 0,144 kg/s e a vazão de combustível de 0,008 kg/s correspondem à liberação de calor de 1,58 MMBTU/hr a 3% de excesso de O2. Executamos a simulação até obter um estado estatisticamente estável antes de iniciarmos a amostragem para obter resultados médios. A Figura 7 mostra a mistura instantânea e média da mistura de combustível e os contornos de velocidade.
Figura 6. Simulação da geometria do venturi com queimador RWSF de ranhura horizontal
Figura 7. Resultados da Simulação de Grande Foucault do fluxo através do venturi e da ponta RWSF no plano central através da geometria: perfis instantâneos (a) e médios (b) de mistura de combustível, e perfis instantâneos (c) e médios (d) de magnitude de velocidade.
A figura 8 mostra a uniformidade da mistura média de combustível ao longo do comprimento do conjunto venturi. Os planos que mostram os perfis são espaçados a cada 10 cm. A uniformidade da mistura de combustível foi avaliada usando a seguinte fórmula:
A partir da Figura 8, pode-se ver que a mistura para a condição simulada é muito eficiente, obtendo uma uniformidade de superfície de 0,998 aproximadamente 30 cm dentro do venturi.
Para explorar e quantificar o efeito da geometria da ponta sobre o desempenho do queimador, criamos um modelo CAD paramétrico da ponta que poderia ser usado no estudo de exploração do projeto. Para este modelo paramétrico, implementamos quinze parâmetros de projeto e criamos doze critérios para avaliar o desempenho de cada modificação de projeto. Alguns dos parâmetros de projeto definiram a geometria de cada ranhura (por exemplo, largura da ranhura, altura, perfil de entrada da ranhura), espaçamento da ranhura, assim como as dimensões interiores da ponta do queimador. Além disso, incluímos parâmetros operacionais (por exemplo, fluxo de massa) como parâmetros de projeto também. Para cada parâmetro de projeto, definimos uma faixa que queríamos explorar. Alguns dos critérios usados para avaliar o desempenho da ponta incluíram a uniformidade do fluxo à saída das fendas, o perfil de pressão e a queda de pressão. Utilizamos a mistura média de combustível, velocidades, assim como as quantidades de turbulência da simulação LES no plano de saída do venturi para definir as condições de limite de entrada para um modelo simplificado de eixo simétrico da ponta. Para este estudo de exploração de projeto, utilizamos o modelo de turbulência k em estado estável realizável, com aproximadamente um milhão de células por simulação. A Figura 9 mostra o domínio geométrico simplificado utilizado para o estudo de exploração de projeto, juntamente com resultados de exemplo para os perfis de pressão e velocidade para um dos muitos projetos.
No total, avaliamos mais de 300 simulações com uma combinação geométrica diferente dos parâmetros de projeto para quantificar o efeito tanto dos parâmetros geométricos quanto operacionais. Como resultado, obtivemos uma tabela de correlação cruzada que avalia o coeficiente de correlação de Pearson para uma combinação de qualquer parâmetro de projeto em particular com qualquer objetivo de projeto em particular. Este tipo de análise é muito eficiente em projetos de peneiramento. A Figura 10 mostra um subconjunto dos parâmetros de projeto e objetivos de projeto que foram usados para analisar o efeito dos parâmetros de projeto sobre o desempenho da ponta. A força de tais estudos de exploração de projeto é que eles podem ser usados para encontrar correlações que podem não ser prontamente reconhecidas se apenas um parâmetro fosse variado de cada vez. O coeficiente de correlação Pearson varia entre -1 e 1, com -1 significando uma relação inversa entre qualquer dado parâmetro de projeto e objetivo de projeto, enquanto 1 significando uma relação direta entre as quantidades. Um coeficiente de correlação de zero indica que nenhuma correlação foi encontrada entre o parâmetro de projeto e o objetivo de projeto.
Figura 8. Uniformidade média da mistura de combustível ao longo do comprimento do venturi
Figura 9. (a) Geometria simplificada para um das muitas centenas de projetos do estudo de exploração de projetos. Perfil de pressão (b) juntamente com um perfil de magnitude de velocidade (c). Os perfis são mostrados em um plano que corta o meio das ranhuras.
Figura 10. Correlação cruzada do subconjunto de parâmetros geométricos e objetivos utilizados para explorar o espaço de projeto e seu efeito no desempenho da ponta do queimador de parede radiante.
Usando esta análise, conseguimos identificar que a forma interior da tampa da extremidade da ponta, bem como os perfis de entrada das ranhuras, desempenham um papel crítico na obtenção de uma distribuição uniforme da pressão ao longo da ponta e velocidade uniforme de saída de todas as ranhuras.
Além disso, também realizamos outro estudo de exploração de projeto, mas desta vez, o estudo foi focado na integridade estrutural da ponta radiante quando sujeita a altos fluxos de calor dentro do forno. Para este estudo, utilizamos a ponta sólida e aplicamos carga térmica na parte externa da ponta e coeficiente de transferência de calor convectivo e temperatura na parte interna da ponta. A ponta foi restringida na base, mas, de outra forma, ela era livre para se expandir. Para esta análise, resolvemos apenas a equação de energia para o sólido, com a análise de elementos finitos para capturar as tensões como resultado da carga térmica. Usando esta configuração de simulação, definimos dez parâmetros de projeto similares aos usados para o estudo de exploração do fluxo do fluido, por exemplo, dimensões da ranhura, espaçamento, geometria da tampa da extremidade da ponta, etc. Para os objetivos de projeto, entretanto, criamos um novo conjunto de objetivos que são relevantes para a análise térmica e estrutural, tais como as temperaturas máxima e mínima e suas localizações, gradiente de temperatura, deslocamento da ponta (expansão), tensões em toda a ponta e sua localização.
Para este estudo de exploração de projeto, completamos mais de 700 simulações que nos permitiram explorar o desempenho da inclinação sobre uma ampla gama de parâmetros de projeto. Um conjunto de resultados para uma dessas simulações é mostrado na Figura 11. Para este cenário de projeto particular, os perfis de temperatura indicam que a temperatura mais alta está na tampa final da ponta, como esperado; entretanto, o calor está sendo conduzido para a ponta através do metal que está entre as fileiras individuais de ranhuras. Isto resulta em menores tensões perto da tampa da extremidade, onde vemos as temperaturas mais altas. A região mais fria está no meio das ranhuras, correspondendo a um deslocamento menor. No entanto, tensões mais elevadas poderiam ser tratadas utilizando diferentes técnicas, dadas as temperaturas relativamente baixas. Para esta análise, também criamos uma tabela de correlação cruzada semelhante à mostrada na Figura 11.
Figura 11. Análise de elementos finitos térmicos de um das centenas de projetos de pontas consideradas durante o estudo de exploração do projeto. (a) O perfil de temperatura da ponta, (b) com uma fatia vertical através da ponta. (c) O deslocamento previsto da ponta, (d) e as tensões Von Misses associadas ao longo da ponta.
Com base nos resultados das análises computacionais, fomos capazes de identificar os parâmetros de projeto mais críticos e seu impacto sobre o desempenho do queimador de parede radiante. Alguns desses parâmetros foram então incorporados ao projeto da ponta, que submetemos a testes minuciosos em nossa instalação de testes. A Figura 12 mostra a chama compacta do queimador RWSF com queima interna de gás natural durante um dos pontos de teste. Os dados de teste de combustão selecionados para o queimador RWSF com estágio interno e externo são capturados na Tabela 1.
Figura 12: A figura acima mostra a versão encenada interna que dispara gás natural com uma chama compacta.
Tabela 1: Dados de teste de combustão para o queimador Zeeco RWSF com ranhuras horizontais
CONCLUSÕES
Neste artigo, exploramos soluções para aplicações desafiadoras de retrofit de queimadores de parede radiante, juntamente com nossas metodologias para não apenas melhorar o desempenho do queimador de parede radiante, mas também para prolongar sua vida útil e aumentar a facilidade de manutenção. Tanto os testes físicos quanto o uso de ferramentas computacionais nos permitiram explorar novos projetos e prever o desempenho do queimador em condições desafiadoras durante longos períodos de tempo. Associamos simulações transientes detalhadas do fluxo através do conjunto do queimador com modelos de estado estável, o que nos permitiu explorar uma ampla gama de parâmetros de projeto e seu efeito sobre o desempenho do queimador. Além disso, estudamos o desempenho estrutural da ponta quando sujeita a altas cargas radiantes no forno e, por meio do uso da exploração de projeto, modificamos o projeto para que ele pudesse suportar mais facilmente essas cargas térmicas. À medida que os envelopes operacionais dos queimadores de parede radiante são levados aos seus limites, com taxas de queima mais altas, combustíveis com alto teor de hidrogênio ou emissões mais baixas, em Zeeco, continuamos a usar testes físicos juntamente com ferramentas computacionais para impulsionar a inovação.