Analysis of the degradation process of reciprocating grates in biomass burning

Abstract

Um número considerável de artigos tem sido publicado envolvendo o uso de ferramentas de simulação fluidodinâmica computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics), com foco no processo de combustão e transferência de calor, na modelagem de unidades geradoras de vapor projetadas para queima de combustíveis fósseis. Diante da atual transição do mercado de combustíveis fósseis para fontes de energia renováveis, surgem problemas tecnológicos pertinentes, relacionados ao uso racional da biomassa em unidades geradoras de vapor e vida útil dos equipamentos. Dentre as diversas tecnologias disponíveis no mercado, as fornalhas de grelhas reciprocantes são alternativas confiáveis para a queima eficiente de biomassa, mesmo com diferentes propriedades e sob diferentes níveis de temperatura. Por outro lado, embora amplamente utilizadas, essas grelhas têm sido severamente danificadas por fatores como altas temperaturas, óxidos corrosivos e erosão. Este estudo tem como objetivo investigar os processos de degradação que afetam as grelhas reciprocantes em fornalhas de caldeiras que utilizam cavacos de eucalipto como combustível. O estudo envolve a modelagem do problema proposto utilizando o programa ANSYS-Fluent com um código CRFD (Computational Reactive Fluid Dynamics) para simulação de uma caldeira, com enfoque na fornalha de grelhas reciprocantes em larga escala. Neste contexto, o leito de combustível foi modelado, incorporando escoamento reativo nas grelhas, com a intenção de identificar pontos críticos de operação e analisar os processos de degradação decorrentes de gradientes térmicos, formação de óxidos, erosão e corrosão. Resultados preliminares foram inicialmente obtidos e validados com dados experimentais medidos em campo, conferindo confiabilidade no modelo proposto. Foram determinados os campos de velocidade correspondentes, a distribuição das espécies químicas e, finalmente, os campos de temperatura na câmara de combustão e barras das grelhas. Com base nos resultados obtidos foram então identificados os pontos críticos de degradação na grelha. Dentre todos os resultados obtidos destacam-se a contribuição no entendimento dos fenômenos de degradação de grelhas associados à queima de cavacos de eucalipto em caldeiras de grelhas reciprocantes, a identificação de regiões críticas de maior incidência dos efeitos de degradação, a obtenção de dados para a elaboração de modelos baseados em temperatura e reações químicas de degradação. Além disso, este trabalho contribui para o desenvolvimento de estratégias futuras no projeto de unidades geradoras de vapor a biomassa, mais eficientes no que tange processos de conversão e uso racional de energia.

Abstract: Many articles have been published involving Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation tools, focusing on the combustion process and heat transfer in modeling steam-generating units designed to burn fossil fuels. Faced with the current transition of the market from fossil fuels to renewable energy sources, relevant technological problems arise related to the rational use of biomass in steam generating units and the useful life of equipment. Among the various technologies available on the market, reciprocating grate furnaces are reliable alternatives for efficiently burning biomass, even with different properties and temperature levels. On the other hand, although widely used, these grates have been severely damaged by factors such as high temperatures, corrosive oxides, and erosion. This study investigates the degradation processes that affect the reciprocating grates in boiler furnaces that use eucalyptus chips as fuel. The study involves modeling the proposed problem using the ANSYS-Fluent program with a CRFD (Computational Reactive Fluid Dynamics) code to simulate a boiler, focusing on the large-scale reciprocating grate furnace. In this context, the fuel bed was modeled, incorporating reactive flow in the grates, to identify critical operating points and analyze the degradation processes resulting from thermal gradients, oxide formation, erosion, and corrosion. Preliminary results were initially obtained and validated with experimental data measured in the field, providing high reliability in the proposed model. The corresponding velocity fields, the distribution of chemical species, and, finally, the temperature fields in the combustion chamber and grate bars were determined. Based on the results obtained, the critical points of degradation in the grate. Among all the results obtained, the contribution to understanding the phenomena of degradation of grates associated with the burning of eucalyptus chips in boilers with reciprocating grates, the identification of critical regions with the highest incidence of degradation effects, the obtaining of data for the development of models based on temperature and chemical degradation reactions. In addition, this work contributes to the development of future strategies in designing biomass steam generating units, which are more efficient in conversion processes and rational use of energy.