Analizadores láser y control de la combustión: mediciones sin contacto


En la mayoría de industrias se emplean procesos de combustión como fuente de calor y energía. Con esta finalidad, calderas, calentadores y hornos, queman combustibles como gas natural, biogás o incluso residuos. Al decidir sobre un nuevo sistema para el control de la combustión hemos de tener en cuenta los siguientes puntos:

  1. Gasto de inversión (CAPEX)
  2. Gastos de mantenimiento, operación (OPEX)
  3. Ahorro potencial de combustible
  4. Maximización del rendimiento de los calentadores
  5. Minimización de contaminantes como los óxidos de nitrógeno (NOx)

 

Eficiencia de la combustión

Una mirada a la teoría de la combustión muestra que el punto de funcionamiento ideal está en un régimen ligeramente pobre, es decir con un exceso de aire. Una combustión pobre asegura que el combustible se queme completamente en todas las condiciones. Siendo así, se minimiza el potencial de altas concentraciones de monóxido de carbono (CO) y combustible no quemado, en los gases de combustión. De lo contrario, se desperdiciaría combustible y podrían producirse condiciones de combustión inseguras.

Originalmente solo se utilizaba oxígeno (O2) como medida de control y el punto de operación era típicamente entre el 5 % y el 10 % de exceso de aire, lo que significaba una eficiencia baja y generación alta de NOx. Actualmente, se utilizan mediciones adicionales de CO para evitar operaciones ricas en combustible, y para proporcionar información sobre el punto de ajuste del O2. Con esta medición adicional, el punto de operación se puede reducir a un rango entre el 3 % y el 6 % de exceso de aire.

 

Ejemplos

Como ejemplo, escogemos un CRACKER DE ETILENO típico, de 200 MBTU por calentador y hora. Al reducir el punto de funcionamiento del 7 % de exceso de aire al 4 %, a una tasa de quemado del 85% al 100%; el ahorro anual de combustible es de aproximadamente $80.000 por calentador (suponiendo 2,33 $/MBTU). Eso significa que para un Cracker de Etileno con seis celdas de calentamiento, el ahorro de combustible combinado anual es de casi $500.000. Al mismo tiempo, la emisión de NOx se reduciría alrededor de un 33% debido al menor exceso de aire (figura 1)

Figura 1: Ahorro anual de combustible por calefactor en k$ (derecha, eje azul) y reducción de las emisiones de NOx en % (izquierda, bloques amarillos) para diversos puntos de operación en relación con un punto de funcionamiento del 7%

 

Tecnologías de optimización de la combustión

Con el tiempo se han desarrollado varias tecnologías diferentes para optimizar la combustión. La mayoría de ellas se han basado en sensores de medida en un punto (sondas), que deben de estar en contacto físico con el gas del proceso. Las sondas de Óxido de Zirconio (ZrO2) y los sensores electroquímicos son actualmente los más utilizados. Sin embargo, estos sensores sufren una rápida degradación debido a las duras condiciones de proceso; envenenamiento del catalizador o inhibición si se exponen a gases reductores (por ejemplo, azufre). Además los sensores de combustibles (COe) no son específicos para CO, sino que miden la suma de todos los gases combustibles, es decir, también miden el hidrógeno (H2) y los hidrocarburos.

En contraposición a éstos, la Espectroscopia de Absorción Láser por Diodo Modulable (TDLAS) realiza la medición sin contacto con la muestra, por interacción de la luz láser y las moléculas de gas. Las mediciones pueden llevarse a cabo directamente en proceso (in situ) a través de la cámara de combustión, obteniendo así resultados representativos de toda la cámara, y no solo de un punto cercano a la pared.

 

Medición sin contacto

Además, al realizarse la medición sin contacto, los analizadores no están expuestos a gases corrosivos y altas temperaturas, y generalmente no se requiere un sistema de extracción de muestra complejo con un mantenimiento alto. Asimismo, las sondas de ZrO2 requieren de una recalibración mensual debido a la degradación, a diferencia de los analizadores TDLAS que solo se validan una vez al año.

El analizador TDLAS, no precisa un sistema de extracción de muestra y el mantenimiento es mucho menor, lo que implica una importante reducción en los gastos de operación (OPEX) en comparación con otras tecnologías. Asimismo, los analizadores TDLAS son muy sensibles y selectivos, por lo que se logran límites de detección muy bajos sin interferencia de otros gases del proceso. Esto significa que a diferencia de las mediciones de COe, los analizadores TDLAS miden el valor real de CO, lo que conduce a una mayor optimización del punto de operación.

 

Soluciones de análisis de la combustión

Una de las soluciones de NEO Monitors para un análisis completo de la combustión serían dos analizadores LaserGas™ III in situ:

  1. Medición de O2 y temperatura del proceso
  2. Medición de CO, metano (CH4) y vapor de agua (H2O).

 

 

Cada analizador LaserGas™ III consta de un emisor y un receptor que están montados en lados diametralmente opuestos de la cámara de combustión. Los costes de instalación del emisor-receptor son algo más altos que los de los sensores de medición en un punto; los costos de mantenimiento significativamente más bajos y una mejor optimización de la combustión compensan esto después de un corto período de tiempo de operación.

 

Cálculos de ahorro de combustible

Si miramos de nuevo el cálculo del ahorro de combustible del ejemplo anterior y también tenemos en cuenta la diferencia en CAPEX y OPEX entre los sensores de tipo medición puntual (ZrO2 y CO) y los analizadores TDLAS, obtenemos los beneficios totales de TDLAS por calentador durante los primeros cinco años de operación (Figura 2)

Figura 2: Beneficios totales del TDLAS en k$ por calentador durante los primeros cinco años de funcionamiento

 

Para un Cracker de Etileno con seis calentadores, los beneficios después de cinco años operando son más de $2.7 millones.

Otra solución propuesta por NEO Monitors que permite reducir aún más los costes de inversión (CAPEX) es con su analizador LaserGas™ iQ2.

Este analizador combina las unidades de transmisor y receptor en una configuración de transductor único. En este caso, se utiliza un reflector para enviar el haz de vuelta al receptor de modo que el haz atraviesa dos veces la muestra de gas monitorizada. Se dispone además de una versión especial tipo sonda, el LaserGas™ iQ2 Vulcan, especialmente diseñada para la sustitución de sondas ya instaladas, de otros fabricantes. En este caso tan solo se requiere una sola brida para su instalación, lo que reduce los costes de inversión al mínimo, conservando el resto de ventajas de las mediciones de los analizadores láser.

 

 

Otras ventajas

Otras ventajas de utilizar analizadores LaserGas™ para el control de la combustión, es que los estos analizadores pueden medir también CH4, H2O y la temperatura de proceso.

  • CH4. Durante la fase de arranque de un proceso de combustión, la información sobre la concentración de CH4 es esencial por motivos de seguridad, para prevenir explosiones.
  • H2O. La medición de H2O se pueden utilizar para detectar roturas de tubos en calderas, y/o la conversión de las mediciones de base húmeda a base seca, y así garantizar la concordancia con la mediciones proporcionadas por sistemas de análisis extractivos típicos (en base seca).
  • Temperatura. Una medición de temperatura de proceso basada en TDLAS es la mejor solución para la compensación adecuada de las medidas de concentración.

EN POCAS PALABRAS: LAS MEDICIONES SIN CONTACTO SON EL FUTURO DE LA DETECCIÓN DE GASES.

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