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Jun 09, 2023

Diseño de sistemas de conductos húmedos/chimenea para carbón.

A medida que los límites a las emisiones de SO2 se vuelven más estrictos, muchas centrales eléctricas alimentadas con carbón están agregando nuevos sistemas de desulfuración de gases de combustión (FGD) o mejorando los existentes. La mayoría de estos sistemas emplean

A medida que los límites a las emisiones de SO2 se vuelven más estrictos, muchas centrales eléctricas alimentadas con carbón están agregando nuevos sistemas de desulfuración de gases de combustión (FGD) o mejorando los existentes. La mayoría de estos sistemas emplean tecnologías FGD húmedas. Muchas plantas con sistemas FGD húmedos utilizan gases de combustión recalentados para secar los gases saturados que salen del absorbente del sistema antes de enviarlos a la chimenea.

Sin embargo, debido al costo cada vez más alto de la energía y/o a la necesidad de disminuir las emisiones totales de SO2 de la planta, el recalentamiento de los gases de combustión generalmente ya no se utiliza en las plantas nuevas y se está eliminando en las plantas que ya están en servicio. Sin recalentamiento, los gases de combustión saturados que salen del absorbente ingresan directamente a la chimenea. Junto con las gotas que son arrastradas desde el eliminador de neblina, el vapor de agua que se condensa de los gases de combustión saturados crea una película líquida que cubre las paredes del conducto de salida del absorbente y el revestimiento de la chimenea. Esta película debe recolectarse y drenarse del sistema mediante un proceso llamado operación de pila húmeda. Si los conductos, el revestimiento de la chimenea y el sistema de recolección de líquidos no están diseñados adecuadamente, se pueden descargar cantidades inaceptables de gotas de líquido desde la parte superior de la chimenea.

El funcionamiento sin problemas de una unidad FGD con conductos y chimeneas húmedos requiere la investigación de varias áreas potencialmente problemáticas relacionadas con el manejo y descarga de gases de combustión húmedos. Esto debe hacerse durante el diseño de la chimenea y el sistema de conductos. Este artículo describe los aspectos de diseño importantes que deben abordarse si se quiere minimizar la descarga de líquido de una instalación de chimenea húmeda nueva o modernizada.

Aunque los sistemas FGD húmedos se han utilizado durante décadas, la mayoría funcionaba con chimeneas secas. A fines de la década de 1970, algunas empresas de servicios públicos comenzaron a utilizar conductos húmedos y chimeneas para reducir sus costos operativos, pero en muchos casos el resultado (imprevisto) de este cambio fueron niveles inaceptablemente altos de descarga de líquido de chimenea (SLD). Para mejorar la comprensión de los procesos físicos que tienen lugar en los sistemas FGD húmedos, en la década de 1980, EPRI patrocinó una serie de programas para determinar las variables clave que contribuyen al reingreso de líquidos. Los resultados de uno de estos estudios se resumieron en el Informe EPRI No. CS-2520, "Entrainment in Wet Stacks".

A fines de la década de 1990, muchas plantas de servicios públicos operaban con sistemas de conductos húmedos/chimenea, la mayoría equipadas con colectores de líquido, y se había desarrollado suficiente experiencia para que EPRI patrocinara otro programa para desarrollar pautas prácticas para el diseño y operación de chimeneas húmedas. Los resultados de este estudio se resumieron en el Informe EPRI No. TR-107099, "Guía de diseño de pilas húmedas".

Como se detalla en los dos informes, el desarrollo de una instalación de chimenea húmeda eficaz requiere un diseño dinámico de fluidos exhaustivo del sistema de conducto húmedo/chimenea y de los colectores y drenajes de líquido. El proceso de diseño, generalmente realizado por un laboratorio de modelado de flujo con experiencia en esta área, normalmente consta de cinco fases distintas:

Utilizando los resultados de las primeras cuatro fases, los ingenieros de servicios públicos pueden finalizar el diseño del sistema FGD húmedo y redactar las especificaciones para las ofertas de suministro y construcción. Los resultados de la quinta fase se utilizan para apoyar la instalación del sistema de recolección de líquidos.

La experiencia sugiere que una revisión temprana de la geometría propuesta de un conducto de salida del absorbente y de una abertura/entrada de la chimenea a menudo produce modificaciones recomendadas para hacer que la geometría sea más adecuada para la operación en húmedo. Esta revisión debe ser realizada por un consultor con amplia experiencia en el diseño y operación de sistemas de chimenea húmeda. Las variables clave del diseño del sistema, como las velocidades del gas, la altura y el ancho de la brecha y el diámetro del revestimiento, deben compararse con valores que han demostrado ser favorables para la operación húmeda en otras plantas. Los cambios simples en la geometría del sistema, como ajustar la relación de aspecto de la brecha, a menudo pueden mejorar significativamente la eficacia del sistema de recolección de líquido, al mejorar los patrones de flujo en el revestimiento inferior, minimizar el potencial de re-arrastre de líquido, reducir el número total de colectores de líquido necesarios y/o reducir la complejidad del sistema.

Muchos factores económicos influyen en el diseño de un revestimiento de pila, incluida la minimización de su diámetro. Pero el principal parámetro de control para una operación eficaz de la chimenea húmeda es la velocidad del gas del revestimiento. Los diferentes materiales de revestimiento y técnicas de construcción tienen diferentes velocidades que se consideran favorables para la operación en húmedo. Según la "Guía de diseño de pilas húmedas" de EPRI, los revestimientos de plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP) y C276 bien construidos deben operarse a velocidades máximas de 50 a 60 pies/seg, mientras que los revestimientos de ladrillos, con superficies más rugosas, deben operarse a velocidades máximas de 50 a 60 pies/seg. velocidades del gas no superiores a 35 a 45 pies/seg. Si se instalan correctamente, los materiales modernos, como los revestimientos de bloques de borosilicato, pueden funcionar eficazmente a velocidades de hasta 65 pies/seg (Figura 1, p. 22).

gráficoFuente: Alden Research Laboratory Inc.

1. Cuanto más rápido, mejor. Velocidades máximas del gas del revestimiento de la chimenea para cuatro materiales.

A veces, se debe reducir la velocidad máxima recomendada del revestimiento si hay discontinuidades horizontales en el revestimiento, como cordones de soldadura o juntas de FRP. Estas discontinuidades pueden actuar como sitios para el reingreso de líquidos. También se debe tener especial cuidado en el diseño del área de entrada a la chimenea, donde el flujo de gas es tridimensional y muy no uniforme, con velocidades dos o más veces mayores que el valor promedio del área. Las ubicaciones de las juntas de expansión en esta área son particularmente críticas y, si es posible, no deben ubicarse dentro de uno o dos diámetros del revestimiento de la parte superior de la brecha.

Gran parte del líquido que se debe eliminar de una chimenea húmeda es condensación en las paredes del conducto y del revestimiento de la chimenea. Resulta de la condensación térmica en las paredes (el resultado de la transferencia de calor desde los gases de combustión al aire exterior a través del revestimiento, el aislamiento, el aire del espacio anular y la cubierta de concreto) y de la condensación adiabática de los gases de combustión saturados a medida que fluyen hacia arriba por la chimenea. y se expande a medida que la presión cae con la elevación.

La cantidad de condensación térmica en las superficies del conducto y del revestimiento es función de la geometría y la conductividad térmica de la chimenea, sus condiciones de flujo interno, la temperatura ambiente y la velocidad del viento y, en algunos casos, la dirección del viento. El aislamiento térmico puede reducir la cantidad de condensación térmica en el revestimiento de una chimenea. En la práctica, la adición de 2 pulgadas de aislamiento de revestimiento ha demostrado ser capaz de reducir la cantidad de condensación térmica en un factor de cuatro.

En cuanto a la condensación adiabática, la experiencia de la industria indica que la caída de presión relativamente pequeña desde el conducto de ruptura hasta la parte superior de la chimenea puede producir una cantidad apreciable de líquido. Una pequeña fracción de este líquido se depositará en la superficie del revestimiento debido a la difusión turbulenta, y el resto se descargará del revestimiento como parte de la corriente de gas a granel en forma de gotas muy pequeñas. Estas gotas no suponen ningún problema porque son tan pequeñas que se evaporarán antes de llegar al suelo.

Se utilizan programas informáticos de transferencia de calor personalizados para calcular la cantidad total de líquido depositado en las paredes del revestimiento de la chimenea debido a la condensación térmica y adiabática. Estas aplicaciones también pueden determinar la tasa de condensación, que es función de la temperatura del aire ambiente, la velocidad del viento y las variables de diseño del revestimiento. Ambos conjuntos de cálculos son necesarios para diseñar y desarrollar un sistema eficaz de recolección de líquidos, porque los resultados determinarán el número, tamaño y ubicación de sus canaletas y desagües.

El problema de la SLD procedente de un sistema de conductos y chimeneas que funciona en modo "completamente depurado" se ve exacerbado por la interacción del flujo de dos fases de líquido y gas. El líquido ingresa a los conductos y se acumula en forma de gotas, así como vapor de agua condensado arrastrado desde los eliminadores de neblina de los absorbentes. Las tasas de arrastre de líquido pueden aumentar significativamente con respecto a las tasas "según lo diseñado" durante los ciclos de lavado normales o si los eliminadores de neblina se ensucian con el uso normal.

La cantidad de líquido y condensado que se deposita es función de la velocidad de los gases de combustión, la geometría del conducto y la chimenea, el nivel de carga del líquido y la distribución del tamaño de las gotas. Las películas líquidas que se forman pueden moverse bajo la influencia de la gravedad y las fuerzas de corte del gas. Cualquier película que se mueva se acumulará en otros lugares o será arrastrada nuevamente desde las paredes del revestimiento, puntales internos, amortiguadores o paletas y los gases de alta velocidad la descargarán desde la parte superior de la chimenea.

Este proceso de re-arrastre, a su vez, depende de la velocidad de los gases de combustión, la rugosidad de la superficie y las discontinuidades de la superficie, como las costuras de soldadura del conducto/revestimiento o las juntas del revestimiento de FRP. Las juntas de expansión del revestimiento pueden ser una fuente importante de reentrada de líquido si no están ubicadas y dispuestas adecuadamente. La mayor parte del líquido re-arrastrado dentro de la pila no se vuelve a depositar en la pared del revestimiento; sale de la pila en forma de gotas que son lo suficientemente grandes como para llegar al suelo antes de evaporarse.

El comportamiento de las gotas arrastradas en el flujo de gas procedente de los eliminadores de niebla del absorbente y el movimiento de las películas líquidas deben evaluarse mediante un modelo de flujo físico de la unidad. Dichos modelos facilitan el diseño y desarrollo de dispositivos de recolección de líquidos capaces de maximizar la deposición primaria de gotas y la recolección de líquidos, al tiempo que minimizan el potencial de re-arrastre de gotas de piscinas y películas líquidas. Los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) no se pueden utilizar para este propósito porque estos códigos informáticos, aunque efectivos para predecir las trayectorias y los patrones de recolección de las gotas, actualmente son incapaces de simular con precisión el desarrollo y el movimiento de las películas líquidas en los conductos y las paredes del revestimiento.

Los modelos de flujo físico de instalaciones de conductos húmedos y chimeneas generalmente se construyen a una escala de 1:12 a 1:16. Por lo general, abarcan el sistema desde la salida del eliminador de neblina del absorbente hasta un punto en el revestimiento de la pila aproximadamente de tres a cuatro diámetros del revestimiento por encima del techo del conducto de ruptura. Los modelos típicos de flujo de pila húmeda con absorbente único y múltiple se muestran en las Figuras 2 y 3, respectivamente. En la medida de lo posible, los modelos se fabrican con Plexiglás transparente para permitir una visualización detallada de los flujos internos de gas y líquido. Para garantizar que el movimiento de la película líquida en la zona de recolección primaria del revestimiento inferior se simule con precisión, se debe tener cuidado para garantizar que la superficie del material utilizado en esta área tenga propiedades humectantes similares a las que se encuentran en el campo.

Cortesía: Alden Research Laboratory Inc.

2. Uno es bueno. Un modelo típico de flujo de pila húmeda con un solo absorbente.

Cortesía: Alden Research Laboratory Inc.

3. Más es mejor. Un modelo típico de flujo de pila húmeda con absorbedores múltiples.

El uso de un modelo de flujo físico permite observar las trayectorias de las gotas y el movimiento de las películas líquidas como patrones de flujo. Estos patrones, a su vez, se pueden utilizar para diseñar, desarrollar y optimizar un sistema de paletas, canaletas, colectores de anillos, presas, deflectores y drenajes capaces de funcionar de manera efectiva en una variedad de cargas de calderas y escenarios operativos esperados. En la medida de lo posible, los colectores de líquido y los canalones se fabrican a partir de formas estructurales disponibles comercialmente hechas de materiales no corrosivos como C276 o FRP.

Un viento cruzado en la parte superior de una central eléctrica le dará a la columna que sale de ella una componente horizontal. A medida que disminuye la relación entre el momento del penacho vertical y el momento del viento horizontal, el penacho puede quedar parcialmente arrastrado por la estela formada en el lado a favor del viento del revestimiento y la cubierta de la chimenea. En relaciones de impulso más bajas, la presión estática reducida en la estela puede arrastrar los gases de combustión hacia un patrón de flujo descendente a lo largo del lado a favor del viento de la carcasa de la chimenea (Figura 4).

Cortesía: Alden Research Laboratory Inc.

4. Resultado de la presión estática reducida. Penacho de agua procedente de la chimenea de una central eléctrica alimentada por carbón.

Si el gas de combustión saturado arrastrado por esta estela entra en contacto con el techo y los lados de los revestimientos de la chimenea y la carcasa, pueden surgir problemas relacionados con la corrosión del metal, el deterioro del hormigón y la acumulación de hielo (durante los meses de invierno). Es particularmente importante abordar la corriente descendente de penachos en el caso de chimeneas con múltiples penachos de descarga que interactúan. Las situaciones severas de corrientes descendentes pueden incluso producir contacto de la pluma con las estructuras vegetales circundantes más bajas. En los casos más extremos, las columnas pueden tocar el nivel del suelo cerca de la chimenea.

Las interacciones entre el viento predominante y las columnas individuales también juegan un papel importante en la propensión y extensión de la corriente descendente en chimeneas con múltiples chimeneas. La dirección del viento en relación con las columnas puede producir diferentes grados de corriente descendente. Para una relación dada entre el momento vertical y el horizontal, la corriente descendente del penacho será mayor en una chimenea de doble revestimiento si la dirección del viento predominante es perpendicular al eje de los dos revestimientos, en comparación con una condición en la que la dirección del viento es paralela a ese eje. La evaluación del potencial de flujo descendente para dos (o más) direcciones del viento permite definir el potencial máximo de flujo descendente y el desarrollo de extensiones de revestimiento apropiadas y una geometría superior de la chimenea para mitigar el problema.

En última instancia, todas las chimeneas pueden entrar en modo de lavado descendente con una carga unitaria baja y con vientos de alta velocidad. Las únicas preguntas son:

A diferencia de las simulaciones de sistemas de recolección de líquidos, el modelado CFD es ideal para evaluar las variables del lavado descendente, un fenómeno que resulta casi en su totalidad de las interacciones gas-gas. La Figura 5 presenta un resultado típico de un modelo de este tipo que muestra un buen funcionamiento de la pila sin lavado descendente. Se pueden evaluar varias condiciones atmosféricas/velocidad del revestimiento para determinar la altura de extensión del revestimiento o la reducción del tamaño del estrangulador de salida requerida para eliminar el lavado descendente o el grado en que la parte superior de la carcasa de la chimenea debe cubrirse con un revestimiento resistente a los ácidos. El potencial de formación de hielo en la parte superior de la chimenea también se puede evaluar incluyendo la transferencia de calor en el modelo y prediciendo qué tan rápido se enfriará la columna después de salir de la chimenea.

Cortesía: Alden Research Laboratory Inc.

5. Muy predecible. Resultados típicos de un modelo computacional de dinámica de fluidos de flujo descendente de penacho.

Los resultados de esta fase se utilizan para respaldar la instalación en campo del sistema de recolección de líquidos. Los ingenieros que lo diseñaron y desarrollaron deben revisar los planos de construcción e instalación en campo del sistema, para garantizar que sus recomendaciones se hayan interpretado correctamente y para evaluar cualquier cambio realizado por la empresa instaladora para facilitar la fabricación, el ensamblaje, la instalación o el soporte estructural. .

Durante la instalación en campo, a menudo se requieren desviaciones del diseño especificado debido a interferencias imprevistas o problemas de instalación. Para garantizar que el sistema de recolección de líquidos se haya instalado correctamente, se recomienda encarecidamente que su diseñador realice una inspección in situ de la instalación y debe programarse para un día en que la instalación esté completa entre un 80% y un 90%. De esta manera, se pueden identificar errores, definir modificaciones in situ si es necesario y realizar correcciones mientras el equipo de construcción está en el sitio antes de la puesta en marcha de la unidad.

También se recomienda encarecidamente inspeccionar el sistema de recogida de líquidos después de varios meses de funcionamiento. Si se produce algún incidente con emisiones de chimenea durante el funcionamiento normal, la necesidad de realizar una inspección es obvia. Sin embargo, incluso si no se tiene experiencia con SLD, sigue siendo importante inspeccionar los colectores de líquido como una forma de garantizar su funcionamiento satisfactorio a largo plazo. Estas inspecciones pueden revelar problemas incipientes de deposición y drenaje que luego pueden corregirse durante futuras paradas de la planta.

—David K. Anderson es director de modelado de flujo de aire/gas en Alden Research Laboratory Inc. Puede comunicarse con él en [email protected] o al 508-829-6000, extensión 464. Lewis A. Maroti es consultor senior en Alden; Puede comunicarse con él en [email protected] o al 508-829-6000, extensión 496.

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