Concepção de bicos injetores de diesel para ignição de carvão em geradores de vapor

Abstract

O presente trabalho é parte de um Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento realizado na Usina Termoelétrica de Pecém, pertencente ao grupo EDP. Atualmente, a Usina passa por alta intermitência em função de demandas da ONS, onde os geradores sofrem paradas constantes, fazendo com que o sistema de ignição à diesel seja solicitado com muita frequência para fazer a partida do gerador de vapor. Conforme relatos da equipe de engenharia responsável pela Usina, o uso frequente do sistema de ignição à diesel tem causado problemas relacionados à manutenção deste sistema: entupimentos frequentes devido à carbonização de combustível nos canais internos, tornando necessária a substituição regular e precoce destes; altas temperaturas atingindo algumas regiões do queimador principal durante a queima do diesel, fazendo com que surjam deformações nessas áreas, tendo necessidade de substituição de partes dos queimadores; e do alto consumo de diesel, trazendo gastos excessivos para a operação da planta. Visto isso, o objetivo deste trabalho é a proposição e análise da operação de uma nova geometria de bico injetor de diesel para substituir o atualmente utilizado na Usina, visando minimizar os problemas relatados. O bico injetor utilizado na Usina e a nova geometria proposta são comparados através de uma análise em CFD dos escoamentos multifásicos nos canais e cavidades internas, bem como do escoamento reativo envolvendo atomização e queima do diesel, a fim de buscar subsídios que indiquem a possibilidade de substituição dos bicos injetores. Para estas análises, modelos foram implementados no software comercial Ansys CFX v. 2019R2. A nova geometria possui vantagens quanto a sua construção, facilitando a limpeza e manutenção, evitando que problemas com falhas de usinagem e entupimentos possam ocorrer. Os resultados deste trabalho apontam que o bico injetor proposto possui maior capacidade de mistura de ar e diesel, proporcionando melhor homogeneização das pressões, velocidades e frações das fases em cada orifício de saída, promovendo assim, uma injeção de diesel na câmara de combustão com melhor distribuição e maior energia cinética, o que por consequência contribui para a quebra do filme líquido em gotas menores. Além disso, proporciona um SMD 19% menor, com uma vazão de ar de atomização 16% menor, que o injetor utilizado na Usina. Foi constatada uma redução de 9% na vazão de diesel no bico injetor proposto em relação ao bico atualmente utilizado pela Usina. Quanto a combustão, proporcionou uma diminuição de cerca de 150 K na temperatura do flame holder do ar primário do queimador principal, o que contribui para não haver superaquecimento e deformações. Somado a isso, contatou-se que a chama teve uma melhora de 3% de eficiência, com base na radiação emitida, e os radicais não queimados na saída da câmara de combustão reduziram em 30%, em média. O bico injetor proposto neste trabalho está em fase de testes de operação no gerador de vapor da Usina, e, segundo a equipe técnica responsável pela planta, apresenta um bom desempenho na combustão, não tendo os problemas constatados em testes com outros bicos injetores comerciais.

This work is part of a Research and Development Project carried out at the Pecém Thermoelectric Plant, belonging to the EDP group. Currently, the Plant undergoes high intermittency in ONS demand functions, where the generators interrupt constantly, causing the diesel ignition system to be requested very frequently to start the steam generator. According to reports by the engineering team responsible for the Plant, the frequent use of the diesel ignition system has caused problems related to the maintenance of this system: frequent blockages due to the carbonization of fuel in the internal channels, making it necessary to replace them regularly and early; high temperatures reaching some regions of the main burner during the burning of diesel, causing deformations to appear in these areas, requiring the replacement of parts of the burners; and the high consumption of diesel, leading to excessive expenses for the plant's operation. In view of this, the objective of this work is to propose and analyze the operation of a new diesel nozzle geometry to replace the one currently used at the Plant, aiming to minimize the reported problems. The injector nozzle used by the plant and the proposed new geometry are compared through a CFD analysis of multiphase flows in the internal channels and cavities, as well as reactive flow involving atomization and burning of diesel, in order to seek subsidies that indicate the possibility of substitution. injector nozzles. For these analyzes, models were implemented in the commercial software Ansys CFX v. 2019R2. The new geometry has advantages regarding its construction, facilitating cleaning and maintenance, preventing problems with machining failures and clogging from occurring. The results of this work point out that the proposed injector nozzle has a greater capacity for mixing air and diesel, providing better homogenization of the pressures, speeds and fractions of the phases in each outlet orifice, thus promoting an injection of diesel into the combustion chamber with better distribution and greater kinetic energy, which consequently contributes to breaking the liquid film into smaller drops. In addition, it provides a SMD 19% lower, with an atomization air flow 16% lower, than the injector used in the Plant. It was found a 9% reduction in the diesel flow rate in the proposed injector nozzle in relation to the nozzle currently used by the Plant. As for combustion, it provided a decrease of about 150 K in the temperature of the primary air burner of the main burner, which contributes to avoid overheating and deformation. In addition, it was found that the flame had an improvement of 3% in efficiency, based on the radiation emitted, and the unburned radicals at the exit of the combustion chamber reduced by an average of 30%. The injector nozzle proposed in this work is undergoing operation tests on the plant's steam generator, and, according to the technical team responsible for the plant, has a good performance in combustion, not having the problems found in tests with other commercial injectors.