Analitzadors làser i control de la combustió: mesuraments sense contacte


En la majoria d’indústries s’empren processos de combustió com a font de calor i energia. Amb aquesta finalitat, calderes, escalfadors i forns, cremen combustibles com gas natural, biogàs o fins i tot residus. A l’decidir sobre un nou sistema per al control de la combustió hem de tenir en compte els següents punts:

  1. Despesa d’inversió (CAPEX)
  2. Despeses de manteniment, operació (OPEX)
  3. Estalvi potencial de combustible
  4. Maximització de l’rendiment dels escalfadors
  5. Minimització de contaminants com els òxids de nitrogen (NOx)

 

Eficiència de la combustió

Una mirada a la teoria de la combustió mostra que el punt de funcionament ideal està en un règim lleugerament pobre, és a dir amb un excés d’aire. Una combustió pobra assegura que el combustible es cremi completament en totes les condicions. Sent així, es minimitza el potencial d’altes concentracions de monòxid de carboni (CO) i combustible no cremat, en els gasos de combustió. En cas contrari, es desaprofitaria combustible i podrien produir-se condicions de combustió insegures.

Originalment només s’utilitzava oxigen (O2) com a mesura de control i el punt d’operació era típicament entre el 5% i el 10% d’excés d’aire, el que significava una eficiència baixa i generació alta de NOx. Actualment, s’utilitzen mesuraments addicionals de CO per evitar operacions riques en combustible, i per proporcionar informació sobre el punt d’ajust de l’O2. Amb aquesta mesura addicional, el punt d’operació es pot reduir a un rang entre el 3% i el 6% d’excés d’aire.

 

Exemples

Com a exemple, escollim un CRACKER D’ETILÈ típic, de 200 MBTU per escalfador i hora. A l’reduir el punt de funcionament de l’7% d’excés d’aire a el 4%, a una taxa de cremat de l’85% a el 100%; l’estalvi anual de combustible és d’aproximadament $ 80.000 per escalfador (suposant 2,33 $ / MBTU). Això vol dir que per a un Cracker d’Etilè amb sis cel·les d’escalfament, l’estalvi de combustible combinat anual és de gairebé $ 500.000. A el mateix temps, l’emissió de NOx es reduiria al voltant d’un 33% a causa de el menor excés d’aire (figura 1)

Figura 1: Estalvi anual de combustible per calefactor en k $ (dreta, eix blau) i reducció de les emissions de NOx en% (esquerra, blocs grocs) per a diversos punts d’operació en relació amb un punt de funcionament de el 7%

 

Tecnologies d’optimització de la combustió

Amb el temps s’han desenvolupat diverses tecnologies diferents per optimitzar la combustió. La majoria d’elles s’han basat en sensors de mesura en un punt (sondes), que han d’estar en contacte físic amb el gas de l’procés. Les sondes d’Òxid de Zirconi (ZrO2) i els sensors electroquímics són actualment els més utilitzats. No obstant això, aquests sensors pateixen una ràpida degradació a causa de les dures condicions de procés; enverinament de l’catalitzador o inhibició si s’exposen a gasos reductors (per exemple, sofre). A més els sensors de combustibles (COE) no són específics per a CO, sinó que mesuren la suma de tots els gasos combustibles, és a dir, també mesuren l’hidrogen (H2) i els hidrocarburs.

En contraposició a aquests, l’Espectroscòpia d’Absorció Làser per Díode Modulable (TDLAS) realitza el mesurament sense contacte amb la mostra, per interacció de la llum làser i les molècules de gas. Els mesuraments es poden dur a terme directament en procés (in situ) a través de la càmera de combustió, obtenint així resultats representatius de tota la cambra, i no només d’un punt proper a la paret.

 

Mesura sense contacte

A més, a l’realitzar-se la mesura sense contacte, els analitzadors no estan exposats a gasos corrosius i altes temperatures, i generalment no es requereix un sistema d’extracció de mostra complex amb un manteniment alt. Així mateix, les sondes de ZrO2 requereixen d’una recalibració mensual a causa de la degradació, a diferència dels analitzadors TDLAS que només es validen un cop a l’any.

L’analitzador TDLAS, no necessita un sistema d’extracció de mostra i el manteniment és molt menor, el que implica una important reducció en les despeses d’operació (OPEX) en comparació amb altres tecnologies. Així mateix, els analitzadors TDLAS són molt sensibles i selectius, de manera que s’aconsegueixen límits de detecció molt baixos sense interferència d’altres gasos d’el procés. Això vol dir que a diferència dels mesuraments de Coe, els analitzadors TDLAS mesuren el valor real de CO, el que condueix a una major optimització del punt d’operació.

 

Solucions d’anàlisi de la combustió

Una de les solucions de NEO Monitors per una anàlisi completa de la combustió serien dos analitzadors LaserGas ™ III in situ:

  1. Mesura de O2 i temperatura de l’procés
  2. Mesura de CO, metà (CH4) i vapor d’aigua (H2O).

 

 

Cada analitzador LaserGas ™ III consta d’un emissor i un receptor que estan muntats en costats diametralment oposats de la cambra de combustió. Els costos d’instal·lació de l’emissor-receptor són una mica més alts que els dels sensors de mesurament en un punt; els costos de manteniment significativament més baixos i una millor optimització de la combustió compensen això després d’un curt període de temps d’operació.

 

Càlculs d’estalvi de combustible

Si mirem de nou el càlcul de l’estalvi de combustible d’l’exemple anterior i també tenim en compte la diferència en CAPEX i OPEX entre els sensors de tipus mesurament puntual (ZrO2 i CO) i els analitzadors TDLAS, obtenim els beneficis totals de TDLAS per escalfador durant els primers cinc anys d’operació (Figura 2)

[Caption id = “attachment_3527” align = “aligncenter” width = “1126”]  Figura 2: Beneficis totals de l’TDLAS en k $ per escalfador durant els primers cinc anys de funcionament [/ caption]

 

Per a un Cracker d’Etilè amb sis escalfadors, els beneficis després de cinc anys operant són més de $ 2,7 milions.

Una altra solució proposada per NEO Monitors que permet reduir encara més els costos d’inversió (CAPEX) és amb el seu analitzador LaserGas ™ IQ2 .

Aquest analitzador combina les unitats de transmissor i receptor en una configuració de transductor únic. En aquest cas, s’utilitza un reflector per enviar el feix de tornada a el receptor de manera que el feix travessa dues vegades la mostra de gas monitoritzada. Es disposa a més d’una versió especial tipus sonda, el LaserGas ™ IQ2 Vulcan , especialment dissenyada per a la substitució de sondes ja instal·lades, d’altres fabricants. En aquest cas tan sols es requereix una sola brida per a la seva instal·lació, el que redueix els costos d’inversió a l’mínim, conservant la resta d’avantatges dels mesuraments dels analitzadors làser.

 

 

Altres avantatges

Altres avantatges d’utilitzar analitzadors LaserGas ™ per al control de la combustió, és que els aquests analitzadors poden mesurar també CH4, H2O i la temperatura de procés.

  • CH4. Durant la fase d’arrencada d’un procés de combustió, la informació sobre la concentració de CH4 és essencial per motius de seguretat, per prevenir explosions.
  • H2O. El mesurament d’H2O es poden utilitzar per detectar trencaments de tubs en calderes, i / o la conversió dels mesuraments de base humida a força seca, i així garantir la concordança amb la mesuraments proporcionades per sistemes d’anàlisi extractius típics (en base seca).
  • Temperatura. Un mesurament de temperatura de procés basada en TDLAS és la millor solució per a la compensació adequada de les mesures de concentració.

EN POQUES PARAULES: AMIDAMENTS SENSE CONTACTE SÓN EL FUTUR DE LA DETECCIÓ DE GASOS.

Share :
Related Posts