Avaliação dos efeitos da utilização da combustão enriquecida com oxigênio em turbinas a gás industriais de um eixo

Abstract

Muitas áreas da indústria utilizam substanciais somas de energia térmica, geralmente obtida pela combustão de óleo, gás ou carvão. Na queima destes combustíveis geralmente é utilizado ar como oxidante, que é constituído aproximadamente por 21% de O2 e 79% de N2, em volume. Em muitos casos, os processos de combustão podem ser enriquecidos com o uso de oxidantes que possuem concentrações de oxigênio maior que a existente no ar. Isto é conhecido como combustão enriquecida com oxigênio (OEC) que pode trazer vários benefícios como a redução do consumo de combustíveis, aumento da energia térmica disponível, redução no volume dos gases de combustão, baixo custo de adaptação dos equipamentos existentes, entre outros. Com este cenário, o presente trabalho investiga o uso da combustão enriquecida com oxigênio em uma turbina a gás industriais de um eixo. O equipamento foi modelado termodinamicamente e com a consideração que os gases de combustão formados se encontram em equilíbrio químico. Dessa forma, são estudadas três formas de operação da turbina a gás com o uso do processo de enriquecimento da combustão, que são: 1) vazão de ar de admissão constante, 2) potência líquida constante com rotação fixa e 3) potência líquida constante com rotação variável. Os resultados mostram que pode ser obtido um aumento de até 143% na potência líquida e de 24% no rendimento térmico do ciclo para o caso 1. Entretanto, é necessária uma substancial soma de oxigênio para sustentar o processo.

Many industry areas use large amounts of thermal energy, usually obtained by burning oil, gas or coal. The combustion of these fuels generally used air as an oxidant, which consists of approximately 21% O2 and 79% N2, in volume. In many cases, combustion processes can be enriched with the use of oxidants with higher concentration of oxygen than present in the air. This is known as oxygen-enhanced combustion (OEC), which can provide several benefits such as reduced fuel consumption, increased thermal energy availability, reduction in flue gas volume, low retrofitting cost and others. With this background, this work investigates the use of oxygen-enhanced combustion in heavy duty single-shaft gas turbine. The equipment was thermodynamically modeled and the consideration that the combustion gases are in chemical equilibrium. Thus, three possible ways of implementation of the enrichment process of combustion were studied, which are: 1) constant intake air flow, 2) constant net power with fixed rotation and 3) constant net power with variable speed. The results showed that one can be obtained up to 143% increase in net power and 24% in thermal efficiency of the cycle in case 1. However, it’s necessary a substantial amount of oxygen to sustain the OEC process.