Sfrutta le onde di detonazione per pulire i tubi della caldaia

Una delle grandi sorprese che devono affrontare gli impianti che passano da un carbone bituminoso più o meno standard a un carbone occidentale è l’aumento delle scorie e delle incrostazioni. Molti impianti hanno segnalato un numero significativamente maggiore di incrostazioni con il carbone Powder River Basin (PRB) rispetto al carbone precedente. Affrontare un aumento delle incrostazioni di solito significa modificare il numero, il tipo o la posizione dei soffiatori di fuliggine, nonché aumentarne la frequenza operativa. Sono inoltre disponibili numerosi sistemi di automazione che utilizzano modelli termodinamici del generatore di vapore per prevedere il tipo e la frequenza della pulizia; altri utilizzano sensori nel percorso del gas per "segnalare" quando le superfici dei tubi necessitano di pulizia. L’unica costante per quasi un decennio è stata la meccanica dell’espulsione della fuliggine.

Non riuscire a mettere in ordine il regime di pulizia della superficie del passaggio del gas è costoso. La cenere accumulata fa sì che i generatori di vapore funzionino in modo meno efficiente. Ciò significa che viene bruciato più carburante e inizia la spirale mortale. La sfida è che ogni caldaia, combustibile e scenario operativo è unico e in genere richiede una soluzione personalizzata per essere efficace. La giusta combinazione può essere sfuggente. Livelli di efficienza inferiori sono indicati da un aumento della caduta di pressione complessiva, della temperatura del gas in uscita e/o della potenza della ventola; ulteriore erosione e perdite del tubo; spese O&M costantemente elevate; e interruzioni non pianificate più frequenti esclusivamente per la pulizia. Se questo sembra il tuo impianto, potremmo avere la soluzione che stai cercando.

Circa cinque anni fa è stata introdotta una nuova tecnologia nel settore della produzione di energia negli Stati Uniti. Utilizza la pulizia della detonazione, derivata dal Pulse Detonation Engine di Pratt & Whitney, utilizzato per alimentare un velivolo supersonico (Figura 1). Gli ingegneri che hanno sviluppato il futuristico motore a detonazione a impulsi non avrebbero potuto prevedere che questa tecnologia sarebbe migrata nel settore dell’energia elettrica come la tecnologia di pulizia delle caldaie più innovativa apparsa negli ultimi anni. Il nuovo combustore per la pulizia della detonazione ShockSystem (Figura 2) non ha nulla a che fare con l'uso della dinamite o della miccia detonante quando un'unità è offline: il metodo di pulizia più invasivo ancora in uso. Né si riferisce ad altre opzioni di sistemi di pulizia in linea come trombe soniche o idranti.

1. Onda d'urto. Questo è il concetto artistico di un motore di detonazione a impulsi che alimenta un veicolo spaziale. Il concetto è semplice: una miscela di carburante/ossidante riempie un tubo e si accende. La rapida combustione si trasforma in un'onda di detonazione che viaggia attraverso il cilindro a una velocità fino a otto volte superiore a quella del suono. La combustione viene completata prima che il gas abbia avuto il tempo di espandersi. La pressione esplosiva risultante viene quindi convertita in spinta per il veicolo. Per gentile concessione: NASA Marshall Space Flight Center

2. Progettazione semplice del sistema. Un tipico combustore Pratt & Whitney ShockSystem utilizzato per la pulizia della caldaia in linea. Per gentile concessione di: Pratt & Whitney MMI

Il processo di creazione di una detonazione consiste nell'iniettare una miscela di carburante e ossidante in una camera, accendere questa miscela, trasformare l'onda di combustione risultante in un'onda di detonazione e quindi spurgare con aria per preparare il ciclo successivo (Figura 3). L'onda di detonazione viaggia a velocità supersoniche all'interno della camera di combustione e decade rapidamente in un'onda d'urto una volta che lascia la camera e si propaga nello spazio aperto (o all'interno di una grande struttura, come una caldaia). L'onda d'urto, nota anche come onda di pressione, impulso di pressione o semplicemente impulso, ha l'energia necessaria per rimuovere la cenere sinterizzata e non sinterizzata nel passaggio posteriore delle caldaie. Questa onda di pressione ha effetti negativi minimi o nulli sull'erosione dei tubi e la frequenza operativa richiesta è molto inferiore a quella delle trombe acustiche.

3. Funzionamento interno. Questo disegno illustra il ciclo di funzionamento dello ShockSystem. Fonte: Pratt & Whitney MMI

La pulizia della detonazione crea un'onda d'urto che si propaga in modo omnidirezionale dall'uscita del combustore. Finora tutte le applicazioni sono state montate all'esterno della parete della caldaia e dirigono l'onda d'urto attraverso un passaggio. Queste applicazioni sono state installate sia su caldaie a tiraggio positivo che bilanciato. Il vantaggio di questo tipo di installazione è che la camera di combustione può essere installata lungo la parete della caldaia o attorno a strutture esterne senza correre il rischio di perdere un tubo lancia a causa di piegamenti, incastramenti o rotture durante il funzionamento. Un altro vantaggio importante riscontrato dagli operatori delle caldaie è che le onde di pressione vengono controllate e applicate in linea, eliminando così interruzioni non necessarie. Gli effetti a lungo termine sull’erosione dei tubi sono minimi, le emissioni dell’impianto si riducono, la temperatura del gas in uscita diminuisce e l’efficienza complessiva della caldaia aumenta.