Aproveite as ondas de detonação para limpar os tubos da caldeira

Uma das grandes surpresas enfrentadas pelas usinas que mudam de um carvão betuminoso mais ou menos padrão para um carvão ocidental é o aumento de escória e incrustação. Muitas usinas relataram significativamente mais incrustações com o carvão da Bacia do Rio Powder (PRB) do que com o carvão anterior. Lidar com mais incrustações geralmente significa modificar o número, tipo ou localização dos sopradores de fuligem, bem como aumentar sua frequência de operação. Também estão disponíveis vários sistemas de automação que usam modelos termodinâmicos do gerador de vapor para prever o tipo e a frequência da limpeza; outros usam sensores no caminho do gás para "informar" quando as superfícies do tubo precisam de limpeza. A única constante por quase uma década tem sido a mecânica do sopro de fuligem.

Deixar de colocar sua casa de regime de limpeza de superfície de passagem de gás em ordem é caro. As cinzas acumuladas fazem com que os geradores de vapor operem com menos eficiência. Isso significa que mais combustível é queimado e a espiral da morte começa. O desafio é que cada cenário de caldeira, combustível e operação é único e normalmente requer uma solução personalizada para ser eficaz. A combinação certa pode ser ilusória. Níveis de eficiência mais baixos são indicados por um aumento na queda de pressão geral, temperatura do gás de saída e/ou potência do ventilador; erosão e vazamentos adicionais no tubo; contínuas altas despesas de O&M; e interrupções não planejadas mais frequentes apenas para limpeza. Se isso soa como sua planta, podemos ter a solução que você está procurando.

Uma nova tecnologia foi introduzida na indústria de geração de energia dos Estados Unidos há cerca de cinco anos. Ele usa a limpeza por detonação, derivada do Pulse Detonation Engine da Pratt & Whitney, que é usado para alimentar uma nave supersônica (Figura 1). Os engenheiros que desenvolveram o futurístico motor de detonação por pulso não poderiam prever que essa tecnologia migraria para a indústria de energia elétrica como a mais nova tecnologia de limpeza de caldeiras a surgir em muitos anos. O novo combustor de limpeza por detonação ShockSystem (Figura 2) não tem nada a ver com o uso de dinamite ou cordão detonador quando uma unidade está desligada - o método de limpeza mais invasivo ainda em uso. Também não se refere a outras opções de sistema de limpeza on-line, como buzinas sônicas ou canhões de água.

1. Onda de choque. Este é o conceito de um artista de um motor de detonação de pulso alimentando uma espaçonave. O conceito é simples: uma mistura de combustível/oxidante enche um tubo e é inflamada. A queima rápida transita para uma onda de detonação que viaja através do cilindro em até oito vezes a velocidade do som. A combustão é concluída antes que o gás tenha tempo de se expandir. A pressão explosiva resultante é então convertida em impulso para o veículo. Cortesia: NASA Marshall Space Flight Center

2. Projeto de sistema simples. Um combustor Pratt & Whitney ShockSystem típico usado para limpeza de caldeiras on-line. Cortesia: Pratt & Whitney MMI

O processo de criação de uma detonação consiste em injetar uma mistura de combustível e oxidante em uma câmara, inflamar essa mistura, fazer a transição da onda de combustão resultante para uma onda de detonação e depois purgar com ar para preparar o próximo ciclo (Figura 3). A onda de detonação viaja em velocidades supersônicas dentro da câmara de combustão e decai rapidamente para uma onda de explosão assim que sai da câmara e se propaga em espaço aberto (ou dentro de uma grande estrutura, como uma caldeira). A onda de explosão - também conhecida como onda de pressão, pulso de pressão ou simplesmente impulso - tem a energia necessária para remover as cinzas sinterizadas e não sinterizadas no retorno das caldeiras. Essa onda de pressão tem pouco ou nenhum efeito negativo na erosão do tubo e a frequência operacional necessária é muito menor do que a das cornetas acústicas.

3. Funcionamento interno. Este desenho ilustra o ciclo operacional do ShockSystem. Fonte: Pratt & Whitney MMI

A limpeza por detonação cria uma onda de choque que se propaga omnidirecionalmente a partir da saída do combustor. Até o momento, todas as aplicações foram montadas fora da parede da caldeira e direcionam a onda de choque através de uma penetração. Essas aplicações foram instaladas em caldeiras de tiragem positiva e balanceada. A vantagem deste tipo de instalação é que a câmara de combustão pode ser instalada ao longo da parede da caldeira ou direcionada em torno de estruturas externas sem o risco de perda de um tubo de lança devido a dobras, emperramento ou quebra durante a operação. Outra grande vantagem que os operadores de caldeiras veem é que as ondas de pressão são controladas e aplicadas on-line, eliminando assim interrupções desnecessárias. Os efeitos de longo prazo na erosão do tubo são mínimos, as emissões da planta são reduzidas, a temperatura do gás de saída é reduzida e a eficiência geral da caldeira é aumentada.