Comprensión de la medición de oxígeno en corrientes de gases de combustión

Mirar la cantidad total de O2 en la corriente de gas puede ser engañoso porque la cantidad de exceso estequiométrico de O2 es la medida más importante.

Los procesos de combustión automatizados nos rodean por todas partes, desde electrodomésticos y sistemas HVAC hasta grandes calderas industriales, calentadores a fuego y centrales eléctricas. A pesar de todas las diferencias en escala y propósito, el elemento común que todos intentan lograr es una alta eficiencia a través de un control efectivo de la combustión. El costo del combustible es un factor importante y, por lo tanto, el énfasis en la eficiencia, pero las consideraciones de seguridad y emisiones también son lo más importante, particularmente las últimas para aplicaciones industriales. El tipo de combustión discutido en este artículo es una reacción química entre el combustible y el oxígeno (O2) y, por lo tanto, está sujeto a factores estequiométricos básicos. El número correcto de moléculas de O2 debe estar disponible para reaccionar con el número correspondiente de moléculas de combustible. En la práctica, la mayoría de las cámaras de combustión utilizan aire atmosférico, y se mide el flujo de aire para controlar el suministro de O2. El desequilibrio del flujo de aire en cualquier dirección es problemático. Si no hay suficiente aire (por debajo del requisito estequiométrico, o combustión rica en combustible), el combustible sin quemar sale por la chimenea. Esto desperdicia combustible, crea emisiones y contaminantes peligrosos del aire. También crea un posible problema de seguridad si posteriormente se mezcla suficiente combustible con O2 y se enciende. Para complicar aún más las cosas, en el mundo real, la combustión rara vez se completa al cien por cien. Por lo general, hay una cierta cantidad de combustible sin quemar en los gases de combustión, aunque las cantidades mínimas no tendrán un efecto material en los niveles de O2 total versus en exceso. Sin embargo, niveles significativos de combustible sin quemar son probables en algún momento de la vida operativa de una instalación y es más común de lo que se cree. Esto es inevitable incluso en los quemadores más eficientes. Más sobre lo que esto significa en un momento. Si hay demasiado aire (por encima del requisito estequiométrico, lo que da como resultado una combustión pobre en combustible), la eficiencia se reduce debido a la energía desperdiciada calentando el volumen innecesario de aire. Esto es inevitable hasta cierto punto, ya que aproximadamente el 80 % del aire es nitrógeno, pero el exceso de aire es menos problemático para la eficiencia y más seguro para el funcionamiento, aunque las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) pueden aumentar al aumentar el exceso de aire. Para la mayoría de las cámaras de combustión existe un exceso de aire ideal para lograr una buena combustión, bajas emisiones y alta eficiencia. Tanto el exceso de aire como el exceso de combustible reducen la eficiencia, pero el exceso de aire no reduce la eficiencia tanto como el mismo volumen de exceso de combustible.

Cualquiera que haya trabajado con una estufa o calentador de gas antiguo puede ver cómo funciona el proceso de mezcla ajustando la entrada de aire del quemador para lograr una llama perfectamente azul. Pero surge la pregunta, ¿cuál es la forma más práctica de optimizar la combustión a gran escala para la seguridad, la eficiencia y las emisiones? La respuesta más común es medir y controlar la cantidad de O2 que queda en el escape de gases de combustión, pero ¿qué es lo ideal? Como se acaba de mencionar, la combustión a menudo no es perfectamente completa, por lo que parte del combustible no quemado y el O2 salen por la chimenea, incluso si la mezcla de aire y combustible que ingresa al quemador es la correcta. El área de preocupación es la cantidad de O2 en exceso de lo que se requiere para quemar la cantidad de combustible, pero mirar el contenido total de O2 en la corriente de gases de combustión puede ser engañoso si los operadores no entienden completamente lo que representa la medición. El desafío es determinar qué cantidad de O2 en el gas de combustión excede la cantidad estequiométrica. Los operadores normalmente quieren una cierta cantidad de exceso de O2 porque no es deseable reducir el flujo de aire por debajo de la cantidad estequiométrica (Figura 1), pero la cantidad exacta depende del combustible y del sistema de combustión. Errar en el lado de la escasez de combustible en la mayoría de las situaciones es más deseable que operar con una gran cantidad de combustible.

Para las instalaciones industriales, existe una amplia gama de estrategias de control. Como mínimo, habrá un instrumento que controle el flujo de combustible. El flujo de aire se medirá, o al menos controlará, para que corresponda al flujo de combustible. Este tipo de esquema se puede implementar usando alguna fórmula (volumen de aire por unidad de combustible) para un cálculo aproximado, pero la variabilidad en la demanda de oxígeno de diferentes fuentes de combustible y la precisión de las mediciones de flujo de aire y combustible, da como resultado la necesidad de monitorear el flujo real. contenido de O2 de los gases de combustión también. Hay dos técnicas comúnmente aplicadas para la medición de O2 de gases de combustión: un analizador de láser de diodo sintonizable (TDL) y un analizador de sensor de zirconia. Un analizador TDL utiliza dos componentes de detección (Figura 2), una fuente láser y un detector.

Los controles para calderas, calentadores a fuego y otros procesos de combustión están construidos para regular el aire de combustión para garantizar el funcionamiento con un exceso de aire adecuado, pero no demasiado. Los sensores de circonio miden el exceso de O2, no el O2 total, que está directamente relacionado con el exceso de aire. Otras tecnologías, como TDL, miden el O2 total, lo que no proporciona una medida directa del exceso de aire cuando hay combustible sin quemar. El O2 total solo es igual al exceso de O2 cuando la combustión está completa al 100 % y no existe combustible sin quemar. Si bien nunca se pretende que una operación funcione con combustible sin quemar, el riesgo permanece y ocurre hasta cierto punto en prácticamente todas las aplicaciones. Cuando se usa un analizador TDL, su medición de O2 total puede hacer que los operadores o los controladores automatizados conduzcan a condiciones inseguras de alto contenido de combustible. Un sensor de circonio simple y duradero aborda este problema al medir solo el exceso de O2, lo que permite a los operadores controlar los procesos de combustión mientras mantienen condiciones seguras y óptimas.

Neil Widmer es gerente de desarrollo de negocios de combustión en Emerson. Cuenta con 30 años de experiencia en la industria de combustión y energía térmica. Neil tiene 13 patentes de EE. UU., 2 publicaciones revisadas por pares y ha escrito numerosos artículos y presentaciones. Tiene un título de BSME de la Universidad de California-Davis. Jesse Sumstad es gerente global de productos para el negocio de soluciones de medición de Emerson. Administra la cartera de instrumentos analíticos de combustión, que consta de analizadores de oxígeno in situ, transmisores de combustible y oxígeno extractivos, y accesorios. Jesse se graduó con una Licenciatura en Ciencias en Ingeniería Industrial de la Universidad de Iowa y una Maestría en Administración de Empresas de la Universidad de St. Thomas.

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