A la majoria d’indústries s’utilitzen processos de combustió com a font de calor i energia. Amb aquesta finalitat, calderes, escalfadors i forns, cremen combustibles com a gas natural, biogàs o fins i tot residus. En decidir sobre un nou sistema per al control de la combustió hem de tenir en compte els punts següents:
- Despesa d’inversió (CAPEX)
- Despeses de manteniment, operació (OPEX)
- Estalvi potencial de combustible
- Maximització del rendiment dels escalfadors
- 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 és 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. 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, cosa 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 aquest mesurament 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. En reduir el punt de funcionament del 7% d’excés d’aire al 4%, a una taxa de cremat del 85% al 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 $500.000. Alhora, l’emissió de NOx es reduiria al voltant d’un 33% a causa del menor excés d’aire (figura 1)
Figura 1: Estalvi anual de combustible per calefactor en k$ (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 del 7%
Tecnologies d’optimització de la combustió
Amb el temps, s’han desenvolupat diverses tecnologies diferents per optimitzar la combustió. La majoria s’han basat en sensors de mesura en un punt (sondes), que deuen estar en contacte físic amb el gas del procés. Les sondes d’Òxid de Zirconi (ZrO2) i els sensors electroquímics són actualment els més utilitzats. Tot i això, aquests sensors pateixen una ràpida degradació a causa de les dures condicions de procés; enverinament del 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 Diode Modulable (TDLAS) fa 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 cambra de combustió, obtenint així resultats representatius de tota la cambra, i no només d’un punt proper a la paret.
Mesurament sense contacte
A més, en fer-se el mesurament sense contacte, els analitzadors no estan exposats a gasos corrosius i altes temperatures, i generalment no cal un sistema d’extracció de mostra complex amb un manteniment alt. Així mateix, les sondes de ZrO2 requereixen una recalibració mensual a causa de la degradació, a diferència dels analitzadors TDLAS que només es validen una vegada a l’any.
L’analitzador TDLAS no necessita un sistema d’extracció de mostra i el manteniment és molt menor, cosa que implica una reducció important en les despeses d’operació (OPEX) en comparació amb altres tecnologies. Així mateix, els analitzadors TDLAS són molt sensibles i selectius, per això s’aconsegueixen límits de detecció molt baixos sense interferència d’altres gasos del procés. Això significa que a diferència dels mesuraments de COe, els analitzadors TDLAS mesuren el valor real de CO, cosa que condueix a una optimització més gran del punt d’operació.
Solucions d’anàlisi de la combustió
Una de les solucions de NEO Monitors per a una anàlisi completa de la combustió serien dos analitzadors LaserGas™ III in situ:
- Mesurament d’O2 i temperatura del procés
- Mesurament de CO, metà (CH4) i vapor d’aigua (H2O).
Cada analitzador LaserGas™ III consta d’un emissor i un receptor muntats en costats diametralment oposats de la càmera de combustió. Els costos d’instal·lació de l’emissor-receptor són una mica més alts que els dels sensors de mesura en un punt; els costos de manteniment significativament més baixos i una millor optimització de la combustió compensen això després dun curt període de temps doperació.
Càlculs destalvi de combustible
Si mirem novament el càlcul de l’estalvi de combustible de 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)
Figura 2: Beneficis totals del TDLAS en k$ per escalfador durant els primers cinc anys de funcionament
Per a un Cracker d’Etilè amb sis escalfadors, els beneficis després de cinc anys operant són més de 2,7 milions de dòlars.
Una altra solució proposada per NEO Monitors que permet reduir encara més els costos d’inversió (CAPEX) és amb el vostre 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 al 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 només es requereix una sola brida per instal·lar-la, cosa que redueix els costos d’inversió al mínim, conservant la resta d’avantatges dels mesuraments dels analitzadors làser.
Altres avantatges
Altres avantatges de fer servir analitzadors LaserGas™ per al control de la combustió, és que 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 pot utilitzar per detectar trencaments de tubs en calderes, i/o la conversió dels mesuraments de base humida a base seca, i així garantir la concordança amb els mesuraments proporcionats per sistemes d’anàlisi extractius típics (en base seca) .
- Temperatura. Un mesurament de temperatura de procés basat en TDLAS és la millor solució per a la compensació adequada de les mesures de concentració.
EN POQUES PARAULES: ELS MESURAMENTS SENSE CONTACTE SÓN EL FUTUR DE LA DETECCIÓ DE GASOS.
