Análise do sistema de alimentação de ar de combustão de uma caldeira de queima frontal multicombustível

Abstract

Neste trabalho, o comportamento do escoamento de ar nos dutos de suprimento para os queimadores de uma caldeira multicombustível de alta potência (categoria A- NR-13) de queima frontal é investigado experimentalmente. Sondas de Pitot foram instaladas em diversas regiões ao longo do escoamento nos dutos de ar, para medição das pressões estática e de estagnação, de forma a caracterizar o campo de velocidade na caixa de ar. Medições do campo de pressão foram realizadas para várias condições operacionais e configuração de abertura das entradas de ar dos queimadores. Através da análise dos dados verificou-se que a velocidade do ar na alimentação dos queimadores é influenciada pela condição de queimador aceso ou apagado e também pelas configurações de combustíveis e pela vazão total, que é ditada pela carga da caldeira. Também foram feitas medidas das pressão estática nas câmaras de ar primário e secundário de cada queimador. Os resultados mostraram que estas pressões são menores nas linhas de queimadores inferiores aumentando na direção dos queimadores superiores. A comparação dos resultados experimentais obtidos com a caldeira apagada (sem geração de vapor) e com os dados dos experimentos realizados com caldeira acesa, não apresentaram discrepância qualitativa e nem quantitativa relevante, possibilitando estudar o comportamento do escoamento a frio. Os resultados experimentais também indicaram a existência de uma região em que o escoamento ascendente tem maior velocidade, pelo lado direito do plano médio vertical da caixa de ar. Como parte do objetivo desenvolve-se uma aplicação com as técnicas de planejamento fatorial 23 e análise da variança nas principais variáveis de controle do ar de alimentação para os queimadores da caldeira. Os resultados calculados através do modelo obtido pelo planejamento fatorial a partir dos testes com caldeira desligada apresentam boa concordância com os resultados experimentais tanto para operação com caldeira desligada quanto ligada quando todos os queimadores estão abertos. Os experimentos revelaram que os modelos obtidos a partir da análise fatorial podem ser utilizados para estimar o campo de velocidades na seção vertical da caixa de ar.

Combustion air flow in the windbox of an industrial multifuel front wall boiler was experimentally investigated. The velocity field was mapped by measuring the static and stagnation pressure fields along the flow by means of Pitot tubes. Experimental tests were conducted for a range of operating conditions and a set of configurations involving dumped and open burner passages. It was observed that combustion air flow is affected by the arrangement of open and closed burners, by the arrangement of fuel being burned in the burners array, and by the total air flow rate, which is dictated by the boiler. Measurements of the static pressure in the primary and secondary air chambers of each burner were also conducted. It was verified that pressure in these chambers increases as the air flow ascends towards the line of burners in the top of the vertical section of the windbox did not present relevant differences. Comparison of results obtained for the boiler operating with and without steam generation did not present significant qualitative nor quantitative discrepancies, allowing for the conclusion that measurements taken in “cold flow” operation mode are representative of the air flow in the windbox. The experimental results also indicated the occurrence of a preferencial ascending path, characterized by higher air flow velocity, inside the windbox. In order to identify the main control variables in the process, design of experiments techniques were additionally used to define experiments. Factorial 23 planning and variance analysis of the main control variables affecting the flow of combustion air to the burners yielded models to predict the pressure field in the vertical section of the windbox as function of the total air flow rate and the opening position of the primary and secondary air dampers at the burners inlet. Predicted results presented good agreement with experimental results for the boiler operating without steam production in operating conditions different of those for which the models were generated and for the boiler operating with steam generation and all burners operating with primary and secondary air dampers fully open.