Na maioria das indústrias, os processos de combustão são utilizados como fonte de calor e energia. Para o efeito, caldeiras, aquecedores e fornos queimam combustíveis como o gás natural, o biogás ou mesmo resíduos. Quando se decide por um novo sistema de controlo de combustão, devem ser tidos em conta os seguintes pontos:
- Despesas de investimento (CAPEX)
- Manutenção, despesas de funcionamento (OPEX)
- Potencial de poupança de combustível
- Maximizar o desempenho dos aquecedores
- Minimizar os poluentes, como os óxidos de azoto (NOx)
Eficiência de combustão
Uma análise da teoria da combustão mostra que o ponto de funcionamento ideal é uma velocidade ligeiramente magra, ou seja, com um excesso de ar. A combustão pobre garante que o combustível queima completamente em todas as condições. Isto minimiza o potencial de concentrações elevadas de monóxido de carbono (CO) e de combustível não queimado nos gases de combustão. Caso contrário, o combustível seria desperdiçado e poderiam ocorrer condições de combustão inseguras.
Originalmente, apenas o oxigénio (O2) era utilizado como medida de controlo e o ponto de funcionamento situava-se normalmente entre 5 % e 10 % de ar em excesso, o que significava uma baixa eficiência e uma elevada produção de NOx. Atualmente, são utilizadas medições adicionais de CO para evitar operações ricas em combustível e para fornecer informações sobre o ponto de regulação do O2. Com esta medição adicional, o ponto de funcionamento pode ser reduzido para uma gama entre 3 % e 6 % de excesso de ar.
Exemplos
Como exemplo, escolhemos um típico CRACKER DE ETILENO, 200 MBTU por aquecedor por hora. Ao reduzir o ponto de funcionamento de 7% de excesso de ar para 4%, a uma taxa de queima de 85% a 100%, a poupança anual de combustível é de aproximadamente 80 000 dólares por aquecedor (assumindo 2,33 dólares/MBTU). Isto significa que para um cracker de etileno com seis células de aquecimento, a poupança anual combinada de combustível é de quase $500.000. Ao mesmo tempo, as emissões de NOx seriam reduzidas em cerca de 33% devido ao menor excesso de ar (figura 1).
Figura 1: Poupança anual de combustível por aquecedor em k$ (direita, eixo azul) e redução das emissões de NOx em % (esquerda, blocos amarelos) para vários pontos de funcionamento em relação a um ponto de funcionamento de 7%.
Tecnologias de otimização da combustão
Ao longo do tempo, foram desenvolvidas várias tecnologias diferentes para otimizar a combustão. A maior parte delas baseia-se em sensores de medição de ponto único (sondas), que devem estar em contacto físico com o gás de processo. As sondas de óxido de zircónio (ZrO2) e os sensores electroquímicos são atualmente os mais utilizados. No entanto, estes sensores sofrem de uma rápida degradação devido às duras condições do processo; envenenamento do catalisador ou inibição se expostos a gases redutores (por exemplo, enxofre). Além disso, os sensores de combustível (COe) não são específicos do CO, mas medem a soma de todos os gases combustíveis, ou seja, medem também o hidrogénio (H2) e os hidrocarbonetos.
Ao contrário destas, a espetroscopia de absorção por laser de díodo modulável (TDLAS) efectua a medição sem contacto com a amostra, através da interação da luz laser com as moléculas de gás. As medições podem ser efectuadas diretamente no processo (in situ) através da câmara de combustão, obtendo-se assim resultados representativos de toda a câmara, e não apenas de um ponto próximo da parede.
Medição sem contacto
Além disso, como a medição é feita sem contacto, os analisadores não estão expostos a gases corrosivos e a temperaturas elevadas e, em geral, não é necessário um sistema de extração de amostras complexo e de elevada manutenção. Além disso, as sondas de ZrO2 requerem uma recalibração mensal devido à degradação, ao contrário dos analisadores TDLAS, que são validados apenas uma vez por ano.
O analisador TDLAS não necessita de um sistema de extração de amostras e a manutenção é muito menor, o que implica uma redução significativa das despesas de funcionamento (OPEX) em comparação com outras tecnologias. Além disso, os analisadores TDLAS são muito sensíveis e selectivos, pelo que se conseguem limites de deteção muito baixos sem a interferência de outros gases de processo. Isto significa que, ao contrário das medições de COe, os analisadores TDLAS medem o valor real de CO, o que leva a uma maior otimização do ponto de funcionamento.
Soluções de análise de combustão
Uma das soluções da NEO Monitors para uma análise completa da combustão seria a utilização de dois analisadores LaserGas™ III in situ:
- Medição de O2 e da temperatura do processo
- Mede o CO, o metano (CH4) e o vapor de água (H2O).
Cada analisador LaserGas™ III é constituído por um emissor e um recetor, montados em lados diametralmente opostos da câmara de combustão. Os custos de instalação do transmissor-recetor são um pouco mais elevados do que os dos sensores de medição de ponto único; os custos de manutenção significativamente mais baixos e uma melhor otimização da combustão compensam este facto após um curto período de funcionamento.
Cálculos de economia de combustível
Se olharmos novamente para o cálculo da poupança de combustível do exemplo anterior e tivermos também em conta a diferença de CAPEX e OPEX entre os sensores do tipo medição pontual (ZrO2 e CO) e os analisadores TDLAS, obtemos os benefícios totais do TDLAS por aquecedor durante os primeiros cinco anos de funcionamento (Figura 2).
Figura 2: Benefícios totais do TDLAS em k$ por aquecedor durante os primeiros cinco anos de funcionamento
Para um cracker de etileno com seis aquecedores, os benefícios após cinco anos de funcionamento são superiores a 2,7 milhões de dólares.
Outra solução proposta pela NEO Monitors para reduzir ainda mais o CAPEX é o seu analisador LaserGas™ iQ2.
Este analisador combina as unidades transmissora e recetora numa única configuração de transdutor. Neste caso, é utilizado um refletor para enviar o feixe de volta ao recetor, de modo a que o feixe passe duas vezes pela amostra de gás monitorizada. Também está disponível uma versão especial de sonda, a LaserGas™ iQ2 Vulcan, especialmente concebida para a substituição de sondas existentes de outros fabricantes. Neste caso, apenas é necessária uma única flange para a instalação, o que reduz os custos de investimento ao mínimo, mantendo todas as outras vantagens das medições do analisador laser.
Outros benefícios
Outra vantagem da utilização de analisadores LaserGas™ para o controlo da combustão é que estes analisadores podem também medir CH4, H2O e a temperatura do processo.
- CH4. Durante a fase de arranque de um processo de combustão, a informação sobre a concentração de CH4 é essencial por razões de segurança, a fim de evitar explosões.
- H2O. As medições de H2O podem ser utilizadas para detetar rupturas de tubos em caldeiras, e/ou a conversão de medições húmidas em secas, para garantir a concordância com as medições fornecidas por sistemas típicos de análise extractiva (seca).
- Temperatura. Uma medição da temperatura do processo baseada em TDLAS é a melhor solução para uma compensação adequada das medições de concentração.
EM RESUMO: AS MEDIÇÕES SEM CONTACTO SÃO O FUTURO DA DETECÇÃO DE GASES.
