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Por Michal Hradisky, Rex K. Isaacs, Parker Imel el 29 de septiembre de 2022

 

 INTRODUCCIÓN 

En este documento se exploran soluciones para aplicaciones de modernización de quemadores murales radiantes que suponen un reto. Por ejemplo, un reto importante al que se enfrenta la industria de la combustión hoy en día es poder adaptar la tecnología antigua a las nuevas normativas sin sacrificar el rendimiento. Muchas aplicaciones existentes de quemadores de pared radiante son difíciles de adaptar para reducir las emisiones con la tecnología tradicional de pared radiante debido a la proximidad del quemador, la interacción de la llama, las temperaturas elevadas y las variaciones de combustible, incluidos los combustibles con menos carbono, por ejemplo, el hidrógeno. En este artículo, Zeeco explica cómo hemos utilizado las pruebas físicas junto con el CFD para hacer frente a estos retos. Exploramos el uso de nuestro enfoque para impulsar la innovación y crear nuevos desarrollos de productos, además de compartir las lecciones aprendidas y los resultados de los proyectos. 

 

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ANTECEDENTES 

El objetivo del desarrollo del quemador de pared radiante Zeeco era aumentar la capacidad de funcionamiento con combustibles de alto contenido en hidrógeno a fin de reducir lasemisiones de CO2 y NOx, aumentar la vida útil prevista de la punta y reducir los costes de mantenimiento previstos. Para alcanzar estos objetivos, se revisaron los diseños de la boquilla de gas, el venturi y la boquilla para proporcionar una solución global sencilla. En las figuras 1 y 2, respectivamente, se muestran esquemas que representan el quemador RWSF tanto con disposición interna de los gases de combustión como con disposición externa de los gases de combustión.

El quemador RWSF con escalonamiento interno de los gases de combustión, que se muestra en la figura 1, se utiliza para aplicaciones con una distancia estrecha entre quemadores y para aplicaciones con alto contenido de hidrógeno. El escalonamiento de los gases de combustión proporciona una mezcla de combustible más rica al final de la punta en comparación con la entrada de la punta, lo que permite cierta reducción de NOx al tiempo que produce una forma de llama más compacta. El sencillo diseño permite un fácil mantenimiento, ya que la punta de gas combustible, completa con un elevador interno de gas combustible escalonado, puede retirarse al mismo tiempo del extremo del quemador. Obsérvese que las ranuras de la punta son horizontales con respecto al extremo de la punta.

 

ZEECO Quemador RWSF con evacuación interna de gases de combustión

Figura 1. Zeeco Quemador RWSF con escalonamiento interno del gas combustible 

 

Zeeco Quemador RWSF con alimentación externa de gas combustible

Figura 2. Zeeco Quemador RWSF con puesta a nivel externa del gas combustible 

 

El quemador RWSF con escalonamiento externo de los gases de combustión, mostrado en la Figura 2, se utiliza para aplicaciones que requieren las menores emisiones de NOx. Como la punta de combustible escalonada es externa a la punta del quemador de pared radiante, se consigue una verdadera premezcla pobre de gas combustible y aire de combustión dentro del venturi antes de salir por las ranuras de la punta. El gas combustible externo se mezcla con los productos de combustión circundantes (gases de combustión), lo que diluye el gas combustible antes de la combustión. El uso tanto de la premezcla pobre como del gas combustible escalonado da como resultado bajas emisiones térmicas de NOx. Obsérvese que, al igual que en el quemador RWSF con escalonamiento interno de los gases de combustión, las ranuras de la punta también son horizontales con respecto al extremo de la punta. 

 

METODOLOGÍA 

En las siguientes secciones, discutiremos con más detalle las modificaciones de la boquilla de gas, el venturi, así como el diseño de la punta para el quemador de pared de ranura horizontal. 

Diseño de la broca de gas 

El tubo de gas es el dispositivo que expulsa el gas combustible hacia el venturi. El conjunto de la válvula de gas combustible está compuesto por la conexión de gas combustible, una T, la válvula de gas combustible, el elevador de gas combustible escalonado y la salida de gas combustible escalonado (punta de gas combustible escalonado). El conjunto de gas combustible fue diseñado para facilitar el mantenimiento. Dado que el elevador de gas por etapas está unido al centro del espigón de gas combustible, tanto el espigón de gas combustible como el elevador de gas combustible por etapas pueden retirarse al mismo tiempo para su limpieza. Esto ahorra tiempo y recursos de mantenimiento, ya que muchas plantas tienen miles de quemadores de pared radiante que necesitan ser mantenidos. 

La mayoría de los diseños de los quemadores de pared radiante de combustible escalonado requieren un elemento primario y un elemento escalonado. La utilización de varios tubos requiere más tiempo para el desmontaje en caso de necesidad de mantenimiento, lo que supone un aumento de los costes. Este diseño de quemador utiliza una sola conexión que incluye la(s) puerta(s) de gas combustible primaria(s) y la(s) puerta(s) de gas combustible escalonada(s). La nueva conexión se encuentra en la misma ubicación que una conexión de gas combustible primaria estándar. Dado que el puerto de gas combustible escalonado está en el centro del spud, el elevador de gas combustible escalonado en el centro del spud y luego se inserta a través del venturi. En caso de que sea necesario realizar un mantenimiento, el tubo de conexión puede retirarse como un tubo de conexión de un quemador de pared radiante estándar, pero al mismo tiempo también se retira el elevador de gas combustible escalonado. De este modo, los puertos de gas primario y escalonado se retiran al mismo tiempo, reduciendo el tiempo y los costes de mantenimiento relacionados. 

Dado que la(s) abertura(s) de combustible escalonado está(n) situada(s) en el centro de la punta de gas combustible, el mismo diseño puede utilizarse para dos tipos diferentes de aplicaciones de combustible escalonado. El primer tipo es el combustible escalonado interno, que escalona el gas combustible hasta cierto punto dentro de la propia punta. Este método se utiliza para aplicaciones de muy alto hidrógeno y para proyectos con una distancia entre quemadores más corta de lo habitual. El segundo tipo es el Combustible de Etapa Externa, en el que la punta escalonada situada en el extremo del elevador de gas escalonado se extiende a través de un agujero central en el centro de la punta. Este método se utiliza para las aplicaciones del tipo de NOx más bajo, ya que hay una zona de premezcla pobre distinta y una zona rica en combustible mezclado con productos de la combustión.

 

Esquema del conjunto del gas combustible

Figura 3. Esquema del montaje de la espiga de gas combustible

 

Diseño Venturi 

El proceso de desarrollo comenzó con nuevos métodos y relaciones para hacer coincidir el tamaño del radio de la campana de entrada del venturi, el diámetro de la garganta, la longitud de la sección recta, el ángulo de la sección de salida, la longitud de la sección de salida y el diámetro de la sección de salida con el área de salida de la punta. Este ajuste se utiliza para utilizar de la mejor manera posible la presión del combustible para arrastrar el aire de combustión a través del venturi y fuera de la punta sin limitar el flujo de aire, manteniendo al mismo tiempo la suficiente uniformidad de la presión interna de la punta y, por lo tanto, produce una utilización óptima de la configuración del venturi y de la punta.

Diagrama Venturi

Figura 4. La ilustración anterior del venturi muestra que la entrada (di) se corresponde con el radio de entrada (R), la garganta (dt), la longitud de la sección de salida (lo) y el diámetro de salida (do)

 

Diseño de la punta 

La mayor parte del tiempo de desarrollo se centró en el diseño de la punta del quemador de pared radiante. Dado que la mínima presión interna de la punta da lugar a la menor velocidad de salida, se prestó mucha atención al desarrollo de una presión interna uniforme para conseguir velocidades de salida uniformes. Esto es muy importante, ya que el propósito del diseño del quemador es operar con combustibles de alto contenido en hidrógeno, que tienen velocidades de llama más rápidas que el metano, y las áreas de baja velocidad de salida pueden dar lugar a un retroceso prematuro. El hecho de tener presiones internas más uniformes en la punta (lo que da lugar a velocidades de salida más uniformes) permite que una mayor parte de la energía generada por el gas combustible arrastre aire de combustión adicional para lograr una premezcla más pobre. 

La figura 5 muestra la comparación entre una punta con ranuras verticales y una punta con ranuras horizontales. En el caso de un quemador con ranuras verticales, para evitar que el quemador retroceda con el rango más amplio de velocidades de salida, es necesario aumentar la presión interna para elevar la velocidad de salida más baja por encima de la velocidad de la llama del hidrógeno para evitar el retroceso. A medida que aumenta la longitud de la ranura vertical, la velocidad en la parte inferior de la ranura disminuye, ya que la distribución de la presión interna en la punta varía. Esto significa que una mayor parte de la energía producida por el chorro de gas combustible que sale de la boquilla debe utilizarse en la punta, lo que se traduce en una menor disponibilidad para arrastrar el aire de combustión. Para compensar esto, se suele reducir la cantidad de gas escalonado para aumentar la cantidad de gas primario y así generar más energía para aumentar las presiones internas dentro de la punta. El resultado negativo de esto es que la reducción del gas escalonado y el aumento del gas primario hace que la zona de premezcla pobre sea más rica en combustible y deja menos gas combustible escalonado para mezclar con los gases de combustión, lo que da lugar a mayores emisiones térmicas de NOx.

Comparación de la punta del quemador de pared radiante

Figura 5. Comparación entre una punta con ranuras verticales (izquierda) y una punta con ranuras horizontales (derecha)

 

Por lo tanto, para las aplicaciones que requieren ranuras verticales largas, determinamos que sería mejor utilizar ranuras horizontales con un desviador de flujo interno para producir una distribución de presión interna uniforme. El uso de un desviador de flujo permite que el diseño de la ranura sea como el que se utiliza para las aplicaciones de menor liberación de calor. Para aumentar el área de flujo de la ranura a través de la punta, se añaden más ranuras horizontales. Esto permite el uso de un tamaño de ranura uniforme que es menos propenso al flashback. Para aumentar el área de flujo de la punta de ranura vertical, la longitud de la ranura tendría que ser más larga, ya que el número de ranuras está limitado por el diámetro de la punta. Las ranuras más largas dan lugar a más variaciones de presión que producen una gama más amplia de velocidades de salida. El uso de una longitud y anchura de ranura estándar de alto hidrógeno junto con un desviador interno de la punta produce presiones internas de la punta más uniformes y permite que el quemador se diseñe con un mayor escalonamiento del gas combustible y menos gas combustible primario. 

Parte del proceso de desarrollo consistió en utilizar herramientas computacionales que permitieran conocer el nuevo diseño de la punta. Empleamos una amplia gama de técnicas computacionales, desde simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics) muy detalladas, hasta la exploración del diseño mediante simulaciones en estado estacionario, así como la utilización de FEA (Finite Element Analysis) para evaluar y reducir las tensiones en la punta. 

 

RESULTADOS 

Nuestro análisis CFD inicial fue un análisis transitorio del flujo a través del venturi para capturar la mezcla interna dentro del venturi y resolver el perfil de velocidad al salir de las ranuras horizontales de la punta. La geometría utilizada para esta simulación se muestra en la Figura 6. Esta geometría no incluía ningún escalonamiento interno o externo. Para esta simulación, utilizamos una malla con más de 60 millones de celdas computacionales hexaédricas (cúbicas), refinadas cerca de la punta y a través de las ranuras horizontales de la punta RWSF. El tamaño de las celdas varió entre 100 m y 640 m en todo el dominio de la simulación. Para esta simulación se utilizó una simulación de grandes remolinos (LES) con viscosidad local adaptada a la pared (WALE), con un paso de tiempo de 0,0005 segundos, que era esencial para resolver el espectro de energía necesario. La tasa de flujo de aire de 0,144 kg/s y la tasa de flujo de combustible de 0,008 kg/s corresponden a una liberación de calor de 1,58 MMBTU/hora con un exceso de O2 del 3%. Ejecutamos la simulación hasta obtener un estado estacionario estadístico antes de iniciar el muestreo para obtener resultados promediados. En la figura 7 se muestran los contornos instantáneos y promediados de la mezcla de combustible y de la velocidad.

Geometría de simulación del venturi con quemador RWSF de ranura horizontal

 

Figura 6. Geometría de simulación del venturi con quemador RWSF de ranura horizontal

 

Resultados de la prueba Venturi CFD

Figura 7. Resultados de la simulación Large Eddy del flujo a través del venturi y de la punta del RWSF en el plano central a lo largo de la geometría: perfiles de mezcla de combustible instantáneos (a) y promediados (b), y perfiles de magnitud de velocidad instantáneos (c) y promediados (d). 

 

La figura 8 muestra la uniformidad de la mezcla de combustible promediada a lo largo del conjunto venturi. Los planos que muestran los perfiles están espaciados cada 10 cm. La uniformidad de la mezcla de combustible se evaluó mediante la siguiente fórmula: 

uniformidad de la fórmula de la mezcla de combustible

A partir de la Figura 8, se puede observar que la mezcla para la condición simulada es muy eficiente, obteniendo una uniformidad superficial de 0,998 aproximadamente a 30 cm dentro del venturi. 

Para explorar y cuantificar el efecto de la geometría de la punta en el rendimiento del quemador, creamos un modelo CAD paramétrico de la punta que pudiera utilizarse en el estudio de exploración del diseño. Para este modelo paramétrico, implementamos quince parámetros de diseño y creamos doce criterios para evaluar el rendimiento de cada modificación de diseño. Algunos de los parámetros de diseño definían la geometría de cada ranura (por ejemplo, la anchura de la ranura, la altura, el perfil de entrada de la ranura), el espaciado de las ranuras, así como las dimensiones interiores de la punta del quemador. Además, incluimos los parámetros operativos (por ejemplo, el flujo de masa) como parámetros de diseño también. Para cada parámetro de diseño, establecimos un rango que queríamos explorar. Algunos de los criterios utilizados para evaluar el rendimiento de la punta fueron la uniformidad del flujo que sale de las ranuras, el perfil de presión y la caída de presión. Utilizamos la mezcla de combustible promediada, las velocidades, así como las cantidades de turbulencia de la simulación LES en el plano de salida del venturi para definir las condiciones de contorno de entrada para un modelo axisimétrico simplificado de la punta. Para este estudio de exploración del diseño, utilizamos el modelo de turbulencia k- realizable en estado estacionario, con aproximadamente un millón de celdas por simulación. La figura 9 muestra el dominio geométrico simplificado utilizado para el estudio de exploración del diseño, junto con resultados de ejemplo para los perfiles de presión y velocidad de uno de los muchos diseños. 

En total, evaluamos más de 300 simulaciones con una combinación geométrica diferente de los parámetros de diseño para cuantificar el efecto de los parámetros geométricos y operativos. Como resultado, obtuvimos una tabla de correlaciones cruzadas que evalúa el coeficiente de correlación de Pearson para una combinación de cualquier parámetro de diseño concreto con cualquier objetivo de diseño concreto. Este tipo de análisis es muy eficaz para seleccionar diseños. La figura 10 muestra un subconjunto de los parámetros y objetivos de diseño que se utilizaron para analizar el efecto de los parámetros de diseño en el rendimiento de la punta. El punto fuerte de estos estudios de exploración del diseño es que pueden utilizarse para encontrar correlaciones que podrían no reconocerse fácilmente si sólo se variara un parámetro a la vez. El coeficiente de correlación de Pearson varía entre -1 y 1, donde -1 significa una relación inversa entre cualquier parámetro de diseño y el objetivo de diseño, mientras que 1 significa una relación directa entre las cantidades. Un coeficiente de correlación de cero indica que no se ha encontrado ninguna correlación entre el parámetro de diseño y el objetivo de diseño.

Uniformidad media de la mezcla de combustible a lo largo del venturi

Figura 8. Uniformidad media de la mezcla de combustible a lo largo del venturi

 

Datos del perfil de diseño

Figura 9. (a) Geometría simplificada de uno de los cientos de diseños del estudio de exploración de diseños. Perfil de presión (b) junto con un perfil de magnitud de velocidad (c). Los perfiles se muestran en un plano que atraviesa el centro de las ranuras. 

 

tabla de patrones geométricos de las pruebas

Figura 10. Correlación cruzada del subconjunto de parámetros geométricos y objetivos utilizados para explorar el espacio de diseño y su efecto en el rendimiento de la punta del quemador de pared radiante. 

 

Gracias a este análisis, pudimos identificar que la forma interior de la tapa del extremo de la punta, así como los perfiles de entrada de la ranura, desempeñan un papel crítico en la obtención de una distribución de presión uniforme a lo largo de la punta y una velocidad de salida uniforme de todas las ranuras. 

Además, también realizamos otro estudio de exploración del diseño, pero esta vez, el estudio se centró en la integridad estructural de la punta radiante cuando se somete a altos flujos de calor dentro del horno. Para este estudio, utilizamos la punta sólida y aplicamos la carga térmica al exterior de la punta y el coeficiente de transferencia de calor por convección y la temperatura al interior de la punta. La punta estaba restringida en la base, pero por lo demás, era libre de expandirse. Para este análisis, sólo resolvimos la ecuación de energía para el sólido, con el análisis de elementos finitos para capturar las tensiones como resultado de la carga térmica. Utilizando esta configuración de simulación, definimos diez parámetros de diseño similares a los utilizados para el estudio de exploración de diseño del flujo de fluidos, por ejemplo, las dimensiones de las ranuras, el espaciado, la geometría de la tapa del extremo, etc. Para los objetivos de diseño, sin embargo, creamos un nuevo conjunto de objetivos que son relevantes para el análisis térmico y estructural, como las temperaturas máxima y mínima y sus ubicaciones, el gradiente de temperatura, el desplazamiento de la punta (expansión), las tensiones a lo largo de la punta y su ubicación. 

Para este estudio de exploración del diseño, completamos más de 700 simulaciones que nos permitieron explorar el rendimiento de la punta en una amplia gama de parámetros de diseño. En la figura 11 se muestra un conjunto de resultados de una de estas simulaciones. Para este escenario de diseño concreto, los perfiles de temperatura indican que la temperatura más alta se encuentra en la tapa del extremo de la punta, como era de esperar; sin embargo, el calor se está conduciendo al interior de la punta a través del metal que se encuentra entre las filas individuales de ranuras. Esto hace que las tensiones sean menores cerca de la tapa del extremo, donde vemos las temperaturas más altas. La región más fría se encuentra en el centro de las ranuras, lo que corresponde a un menor desplazamiento. Sin embargo, las tensiones más elevadas podrían abordarse utilizando diferentes técnicas, dadas las temperaturas relativamente bajas. Para este análisis, también hemos creado una tabla de correlación cruzada similar a la que se muestra en la figura 11. 

Análisis térmico por elementos finitos del diseño de la punta

Figura 11. Análisis térmico por elementos finitos de uno de los cientos de diseños de puntas considerados durante el estudio de exploración del diseño. (a) El perfil de temperatura de la punta, (b) con un corte vertical a través de la punta. (c) El desplazamiento previsto de la punta, (d) y las tensiones de Von Misses asociadas en toda la punta. 

 

A partir de los resultados de los análisis computacionales, pudimos identificar los parámetros de diseño más críticos y su impacto en el rendimiento del quemador de pared radiante. Algunos de estos parámetros se incorporaron al diseño de la punta, que sometimos a pruebas exhaustivas en nuestras instalaciones de ensayo. La figura 12 muestra la llama compacta del quemador RWSF con escalonamiento interno disparando gas natural durante uno de los puntos de prueba. En la tabla 1 se recogen algunos datos de las pruebas de combustión del quemador RWSF con escalonamiento interno y externo. 

Diseño de quemador de pared radiante interno por etapas

Figura 12: La imagen de arriba muestra la versión de la etapa interna disparando gas natural con una llama compacta. 

 

tabla de datos de la prueba de combustión

Tabla 1: Datos de la prueba de combustión del quemador Zeeco RWSF con ranuras horizontales 

 

CONCLUSIONES 

En este documento, exploramos soluciones para aplicaciones de reequipamiento de quemadores de pared radiante que suponen un reto, junto con nuestras metodologías para no sólo mejorar el rendimiento del quemador de pared radiante, sino prolongar su vida útil y aumentar la facilidad de mantenimiento. Tanto las pruebas físicas como el uso de herramientas computacionales nos permitieron explorar nuevos diseños y predecir el rendimiento del quemador en condiciones difíciles durante largos periodos de tiempo. Combinamos simulaciones transitorias detalladas del flujo a través del conjunto del quemador con modelos de estado estacionario, lo que nos permitió explorar una amplia gama de parámetros de diseño y su efecto en el rendimiento del quemador. Además, estudiamos el rendimiento estructural de la punta cuando se somete a altas cargas radiantes en el horno y, mediante el uso de la exploración del diseño, modificamos el diseño, de modo que sea capaz de soportar más fácilmente estas cargas térmicas. A medida que se llevan al límite los límites de funcionamiento de los quemadores de pared radiante, con mayores tasas de combustión, combustibles con alto contenido en hidrógeno o menores emisiones, en Zeeco seguimos utilizando pruebas físicas junto con herramientas computacionales para impulsar la innovación. 

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