Analysis of the heavy fuel oil atomization process through twin-fluid internal-mixing atomizers in steam generators for large scale power production

This thesis work concerns the study carried out by Politecnico di Milano and AC BOILERS S.p.A. in the field of heavy fuel oil atomization. It describes the methodology adopted to collect, organize and visualize the experimental test data. Some aspects of the thermo- and fluid-dynamics of the atomization process through twin-fluid internal-mixing nozzles are examined. The aim is to provide either semi-empirical or analytical models for the description of the oil viscosity as function of temperature and for the characterization of the twin-fluids heat transfer process. The first possible improvements for the atomizers design are presented. They are conceived with the purpose of increasing the atomization efficiency. Two experimental campaigns are executed by AC BOILERS in collaboration with Politecnico di Milano. The first is called “Cold tests experimental campaign” since water and compressed air are used instead of fuel oil and superheated steam, respectively. Inlet water and air gauge pressures are measured simultaneously at varying water flow rate. The results point out a large fluid dynamic loss within the inner duct of the injector, which is much larger than the loss in the external one. Attention is drawn on the trend of the discharge coefficients of the injector’s ducts. Their variability with respect to water mass flow rate is caused by the fixed-dP regulation strategy, which is not optimal when working at partial load. A more correct way to correlate air and water pressure is proposed. It consists in supplying the two fluids with a constant air/water relative intake pressure ratio. The second experimental campaign is called Hot tests experimental campaign, since heavy fuel oil and atomizing steam are the fluids involved and combustion occurs. Among the six tested atomizer configurations, two are selected as the best performing ones. The atomizing head with lengthened outlet passages has a positive effect on the CO emissions. It allows the burner to work with values of excess air up to 5% lower than the standard nozzle, achieving a higher boiler efficiency. The swirled distributor, instead, improves the steam mixing with the fuel oil and reduces the NOx emissions. Finally, the influence of an increase in fuel oil temperature over the emissions performances is investigated. Enhancing the preheating of the fuel oil helps to reduce the NOx level by almost 50 𝑚𝑔/𝑁𝑚3, at the expenses of a slight increase in CO concentration.

Il presente elaborato concerne lo studio condotto dal Politecnico di Milano e da AC BOILERS S.p.A. nel campo dell’atomizzazione dell’olio combustibile denso. Sono descritte le metodologie impiegate per la raccolta, l’organizzazione e la visualizzazione dei dati sperimentali. Vengono analizzati alcuni aspetti della termo-fluidodinamica del processo di atomizzazione tramite ugelli internal-mixing. Lo scopo è quello di formulare dei modelli semi-empirici o analitici per la determinazione della viscosità dell’olio in funzione della sua temperatura e per la caratterizzazione dello scambio termico tra i due fluidi. Sono presentate le prime modifiche al design tradizionale degli atomizzatori internal-mixing, concepite per migliorarne l’efficienza di atomizzazione. Vengono inoltre descritte due campagne sperimentali condotte da AC BOILERS in collaborazione con il Politecnico di Milano. La prima di queste è chiamata “Campagna sperimentale di prove a freddo”, in quanto acqua e aria compressa vengono impiegate in sostituzione di olio e vapore. Le pressioni di acqua e aria all’imbocco della lancia di iniezione sono misurate al variare della portata smaltita. I risultati dei test evidenziano la presenza di una consistente perdita di carico distribuita lungo il condotto interno dell’iniettore. La variabilità dei coefficienti di portata dei condotti della lancia rispetto alla portata smaltita è causata dalla strategia di regolazione adottata, non ottimale per il funzionamento a carico parziale. Viene proposto un modo più corretto di correlare la pressione dell’aria a quella dell’acqua, basato sull’alimentazione dei due fluidi con un valore fissato del rapporto tra le due pressioni relative all’imbocco. Nella seconda campagna sperimentale, olio combustibile denso e vapore di atomizzazione sono i fluidi che partecipano al processo di iniezione e combustione. Tra le sei configurazioni di atomizzatore di nuovo design, due sono selezionate come le più performanti. L’utilizzo della testina con le cave di uscita allungate ha un effetto positivo sulle emissioni di CO. Rispetto alla testina standard, essa permette di operare con eccesso d’aria inferiore del 5%, ottenendo un migliore rendimento di caldaia. Il distributore con gli slot swirlati permette invece di avere una migliore miscelazione tra vapore e olio, riducendo la produzione dei NOx. In ultima analisi, è stata esaminata l’influenza dell’aumento della temperatura di preriscaldo dell’olio combustibile sulle emissioni, evidenziando una riduzione dei NOx di circa 50 𝑚𝑔/𝑁𝑚3 a costo di un leggero aumento del CO.