SONDA DE AMOSTRAGEM, UM TIPO ESPECIFICO PARA CADA TIPO DE APLICAÇÃO.

SONDA DE AMOSTRAGEM, UM TIPO/MODELO ESPECIFICO PARA CADA APLICAÇÃO.  (Nereu Guimarães (ng1949@uol.com.br)

Nesta publicação abordamos a  “sonda” de amostragem, dispositivo importante que é  parte integrante de um sistema de amostragem.

Podemos dividir o sistema de analise online em cinco blocos principais, conforme descrito a seguir; a)sonda, b) linha de transporte da amostra, d)condicionamento amostra, e)analisador e retorno da amostra  ao processo.

A seguir destacamos os pontos principais que devem ser observados durante o projeto e seleção da sonda de amostragem;

a)     Analise as condições do processo (temperatura, pressão, nível de corrosão, material particulado)

b)     Procure ouvir e envolver as pessoas/setores relacionados com o projeto

c)     Faça a escolha correta dos componentes do sistema de amostragem e do próprio analisador

Figura 1 -  Sonda + Sistema Condicionamento+Analisadores                                                                         

A "sonda de amostragem" é um dos principais componentes de um sistema de analise online. A sua função é promover a retirada  de uma amostra da corrente de processo, sem que haja alteração na composição na composição da amostra removida do fluxo do processo, seja diretamente de uma tubulação, duto, fornalha, caldeira, chaminé, reator, e deve representar com precisão a corrente de processo, em todos os aspectos de composição química.

É muito importante conhecer com detalhes as condições físicas e químicas da amostra que será retirada do processo e essas informações ajudarão na especificação e no dimensionamento dos equipamentos que compõem o sistema analítico e que serão determinantes para a escolha da sonda, da sua configuração e modelo.

Procuramos nesta publicação fazer uma abordagem de  todos os detalhes construtivos como os cuidados em relação as condições de processo (temperatura, pressão, características do fluido, sólidos em suspensão), que orientam na escolha do tipo de material mais adequado a aplicação e que possa suportar as características do fluido que esta sendo amostrado. Ressaltando que existem uma gama muito variada de sondas, chegando até certo ponto causar algum tipo de confusão a medida em que os critérios de seleção, tipo de aplicação são abordados.

A temperatura,  afeta a sonda de amostragem de duas maneiras:

a) Mecanicamente: podendo comprometer sua resistência estrutural, ocasionando empenamento, rompimento ou mesmo fusão.

b) Quimicamente: podendo reagir com o gás a ser analisado ou provocar reações catalíticas entre os componentes da amostra ou mesmo o rompimento de moléculas.

Atenção, o aço-carbono comum pode ser usado até uma temperatura da ordem de 400ºC. Se houver,. possibilidade do material da sonda,  agir cataliticamente sobre os componentes da amostra, como nos gases queimados com oxigênio e combustíveis residuais, a temperatura máxima deverá ser limitada em 200ºC. 

Embora não seja uma tarefa nada fácil, devemos definir e estabelecer regras sobre de como e onde aplicar cada tipo de sonda, compatível com cada aplicação. O aspecto mais simples e útil que devemos aplicar é inicialmente selecionar a sonda de formato mais simples, e aquela que requer menos utilidades, como sendo a primeira e principal escolha.

O aço inoxidável do tipo 316 pode ser usado até uma temperatura da ordem de 750 ºC, a não ser que ocorram reações catalíticas na amostra.

Para temperaturas até 1800 ºC, são usados materiais do tipo cerâmico, como a alumina pura, AlSiO3, que não interfere quimicamente com os componentes da amostra mas apresenta uma resistência mecânica inferior a das sondas metálicas. O carbeto de silício é um material altamente resistente a temperatura, ressaltando que este material apesar de possuir caracteristicas que fazem este material suportar elevadas temperatura, mas por outo lado tem baixa resistência mecânica ao torque, deslocamento e a vibração..

Fig2 -  Diagrama Sistema Amostragem  

                                                                       

Quando o local de instalação da "sonda de amostragem"  for por exemplo uma chaminé a mesma  deve ter comprimento suficiente para estar inserida a 1/3 do diâmetro da chaminé para que se obtenha uma boa performance do gás amostrado.

Uma outra recomendação é que a sonda seja montada levemente inclinada para se evitar o acumulo de condensado no seu interior, quando existir a presença de concentração de vapores d´água. 

Se for aceitável, a instalação de uma sonda simples, conforme mostrado na figura 3, devemos nos certificar que não esta presente no material amostrado material particulado em suspensão e que pode vir a interferir na operação correta  da sonda. Ressaltando que os fornos que queimam óleo pesado e ou carvão, geralmente requerem "sondas de amostragem" mais elaboradas e que para este tipo de aplicação as sondas de concepção mais simples não devem ser utilizadas.

Fig.3 – Sonda Simples

Sonda com  jato d`agua invertido só deve ser usada quando não for possível utilizar a sonda simples porque a presença da água ao entrar em contato com o fluido do processo pode ser indesejável ou prejudicial.

Sonda com jatos d´água podem ser necessárias, para auxiliar na limpeza e remoção de partículas solidas porque os gases neste tipo de aplicação estão muito sujos, como aqueles em que encontramos por exemplo em um forno de cimento. Quando se tem água disponível e o seu contato com a amostra não causar problemas, são muitas vezes a solução preferida. O ejetor a água não só pressuriza a amostra, mas também executa um processo de limpeza, eliminando todos os componentes corrosivos e fornecendo um fluxo constante de amostra.

Existe aplicação em que se deseja usar uma sonda onde a estratificação da amostra é prioritário. Neste caso, portanto, se utiliza um tubo com comprimento transversal ao duto, com pequenas aberturas (buracos e orifícios igualmente espaçados em todo o comprimento do tubo  equivalente à extensão aproximada ou o diâmetro do duto.

Pode ser utilizado uma sonda especialmente desenvolvida para dutos de grande diâmetro quando se deseja extrair uma amostra com a concentração média dos gases que estão sendo amostrados.

Existe aplicações em que se pretende utilizar o desenho da extremidade da sonda em formato de “bico” ou “pena” para tornar a amostragem mais adequada onde se deseja extratificar a amostra.  Neste caso se utiliza uma sonda que se estende ao longo do duto, com pequenas aberturas e orifícios e o tubo com comprimento  aproximado do  diâmetro do duto.

A metodologia da amostragem específica, conhecida como 'isocinética” é utilizada quando se deseja obter uma amostra “fisicamente consistente". Este método de amostragem é definida pela relação em que a velocidade da amostra extraída é igual à velocidade do fluxo de amostra, e se deseja um fluxo laminar (fluxo paralelo às paredes da linha de processo).

Este tipo de alternativa se aplica sempre que existe uma amostra de duas fases como por exemplo (gás e de partículas de líquido, líquido imiscível, líquidos em suspensão, gotas de líquido em fase gás) e o analista pretenda incluir a fase de espelho na amostra extraída para o sistema de amostragem e deste para o analisador. Um desenho da sonda especial foi desenvolvido para este tipo de aplicação  na norma ASTM D1066-6ST. 

Na tabela  acima podemos ter uma referência sobre o tipo de sonda a ser utilizada de acordo com as condições do processo, lembrando que este tipo de orientação é apenas indicativo e não pode ser considerado como uma regra rígida que não possa ser alterada.

Normalmente existe uma tendência de se relegar a sonda e o sistema de amostragem a um plano secundário de importância, quando esta envolvido certo custo de instalação ainda  durante o projeto. Este fato implica na existência de uma serie de problemas posteriores a implantação e que são atribuídos aos analisadores sendo, na verdade, a origem é proveniente da aplicação inadequada do sistema de amostragem como um todo, começando pela sonda de amostragem.

O sucesso da operação de um sistema de analise, composto de sonda da amostragem, transporte da amostra, sistema condicionamento da amostra, esta diretamente relacionado com a escolha correta destes três elementos.

A metodologia de amostragem específica, conhecida como amostragem isocinética é utilizado onde se deseja manter a amostra "fisicamente consistente". Este método de amostragem é definido pela relação em que a velocidade da amostra extraída é igual à velocidade do fluxo de amostra.

Em alguns casos, o desenho da sonda de amostragem é especialmente projetado para alterar a composição física do fluxo de amostra (amostra não isocinética). Há momentos em que se deseja usar o desenho do formato da extremidade do tubo da sonda ou a própria orientação da extremidade do tubo, para realizar a separação da inércia física inicial de algum componente do fluxo de amostra.

A sonda fornece uma resposta  mais rápido, reduzindo o volume do sistema de amostragem. O volume do bico pode ser significativo, aumentando o volume de purga requerida pelo sistema de toda a amostra.

Além disso, a sonda permite que a amostra a ser extraído a partir do centro do tubo de processo, o qual elimina a extração de material solido retido  ao longo das paredes do tubo.

Sondas com angulo de 45 ° reduzem grandemente a quantidade de partículas extraídas para dentro do sistema de amostragem. Ambos os recursos ajudam a garantir que a sonda possa extrair uma amostra representativa do processo.

Por este motivo, recomendamos o uso de uma sonda em tubulações maiores que 2 polegadas (50 mm), o que é especialmente crítico para tubos maiores do que 4 polegadas (100 mm).

Projetos de sonda podem variar em comprimento, diâmetro, espessura da parede e os parâmetros de construção que afetará a capacidade de suportar esforço mecânico da sonda,  velocidade e capacidade de filtragem. 

Quanto mais espessa, mais suportam impacto dos fluxos elevados de processo, mas oferecem velocidades de fluxo mais lento, através do diâmetro interno maior. No entanto, essa velocidade de fluxo mais lento permite que mais partículas possam ficar para fora da sonda, em vez de continuar para o sistema amostra analítica. Pequenas sondas retráteis não são tão fortes como sondas soldadas, mas o seu volume interno menor proporciona velocidades de fluxo mais rápidas para o analisador.

Exemplos deste tipo de aplicação, é a remoção de partículas sólidas por separação inercial em torno da sonda de amostragem, a partir de um fluxo gasoso ou líquido ou a  remoção de líquidos em uma amostra gasosa, através do posicionamento da sonda da amostra.

Uma parte importante nas transferências de petróleo bruto é ter um bom sistema de medição não apenas para determinar a quantidade, mas também a qualidade ou a composição da corrente do óleo. A figura abaixo mostra como exemplo um tipo de sonda especifica para este tipo de  aplicação.

A adição de um filtro de material particulado na extremidade da sonda é por vezes necessário,  para minimizar a entrada de partículas finas nas linhas de transporte da amostra ou n sistema de amostragem ou até do próprio analisor, mas não podemos esquecer que esta alternativa, impede a remoção da sonda de amostragem. Os filtros devem ser de material sinterizado fabricado em aço inoxidável, micro fibra de vidro boro silicato, ou cerâmica  e devem suportar sistemas com blowback aquecidos.

Um acessório que aumenta a complexidade da sonda é a instalação de um regulador/vaporizador na extremidade da sonda. A vaporização é tipicamente utilizada para manter uma amostra na fase gasosa ao se reduzir a pressão da amostra a partir de um ponto de amostragem no processo. Aquecedores que suportam alta pressão deve ser adicionado a sonda e com isto anular o efeito  do resfriamento (Joule Thompson) devido a redução de pressão. 

A fonte de calor é obtida  na maioria das vezes através de uma resistência de aquecimento no formato de um cartucho que fica alojado  dentro do corpo do regulador de redução de pressão, ou uma serpentina de vapor em torno do corpo do regulador de pressão.

A seguir abordamos as sondas utilizadas nos CEMS (Continuos Emission Monitoring Systems) e as suas variantes.

·    Aplicações  IN-SITU:                          As analises são feitas internamente na própria chaminé

duto sem a retirada da amostra para um sistema de condicionamento e  para o analisador online.

§ Aplicações EXTRACTIVAS:             Método característico que retira a amostra e  envia para os condicionadores de amostra e deste para os analisadores.

•  Fria / Seca Extrativista direto
•  Quente/ Úmida Extrativista direto
•  Diluição Extrativista

Uma das primeiras e mais bem sucedidas sondas de diluição que faz uso de  um orifício para passagem sônica e acoplado a uma bomba instalada no corpo da sonda (Figura 8),  foi originalmente desenvolvida nos Países Baixos (Bergshoeff e van Ijssel 1978) e com várias aplicações bem sucedidas (por exemplo, Frank e Mullowney 1990; Maurice, Robertson, e Howder 1986).

A bomba ejetora opera com taxas de fluxo de 1-10 1/min. Um orifício de vidro conhecido como orifício sônico (consiste de um tubo de vidro esticado até um ponto, tal como mostrado na Fig. 8) é escolhido para limitar o fluxo do gás de amostra para as taxas de fluxo de 50 a 500 ml / min.

A condição para a obtenção de um fluxo crítico para o vidro sônica orifício é que a relação entre a pressão absoluta na garganta do Venturi para a pressão estática pilha deve ser inferior ou igual a 0,53 (Brouwers e Verdoon 1990). A diluição de razão R é determinado pelo cálculo seguinte:.

                                                            R = Q1 + Q2

                Q2

Onde    Q1 = razão do fluxo de ar diluído (litros por minuto)

            Q2 = razão do fluxo de gás amostra ( litros por minute)

Razões de diluição de 100 para 1 são típicas, embora proporções mais elevadas, são utilizados para correntes de gás saturadas quentes.

O que é Amostragem isocinética ?

Amostragem de correntes de fluido de ar, gases de combustão, vapor, ou qualquer mídia que contém partículas arrastadas é um assunto muito complicado.

Se o fluido é homogéneo, a amostra é relativamente simples, uma vez que o fluido tenha o mesmo consistência em toda a área de escoamento. Este não é o caso por exemplo componentes com partículas arrastadas . 

A variação da concentração das partículas , devido ao padrão de fluxo no interior do fluxo de fluido .

Vamos considerar o exemplo de medição de emissão de partículas a partir de uma usina de energia a carvão. A norma na maioria dos países ao redor do mundo é de cerca de 50 mg/Nm3. 

Os resultados, da não-conformidade gera sanções mais severas e até mesmo causa o fechamento da fábrica.

Para provar que a planta está operando neste nível, são analisadas amostras de partículas provenientes dos dutos de gases de combustão . O passo fundamental é obter a amostra correta. Existem dois grandes problemas na obtenção de uma amostra correta.

• A grande área de secção transversal dos resultados de combustão do duto de gás na segregação do fluxo devido a muitas razões . Tomando um grande número de amostras de pontos através da conduta evita o efeito desta segregação .

• A amostra é extraida para fora do meio que esta conduzindo o gás de combustão por meio da sucção de cada ponto atraves de um tubo de amostragem . Se a velocidade de amostragem neste ponto de for menor do que a velocidade do fluido, em seguida, todas as partículas, especialmente as partículas de dimensão mais pequena, não vai entrar no tubo de amostragem . Se a velocidade é maior , em seguida, mais partículas vai entrar no tubo, especialmente as partículas de menores dimensões. Ambas as condições produzem amostras com concentração errada. O ideal, e que o fluxo da amostra através do sistema de amostragem seja tal que a velocidade no ponto de entrada de amostragem, seja o mesmo que a velocidade do gás de combustão nesse ponto. Isso é chamado de amostragem isocinética .

Exemplo de Sistema de Condicionamento

O calor  mantido  pelo umbical (desde a sonda montada na chaminé até entrada do  analisador montado no rack ), facilita o transporte da amostra do gás retirado da chaminé  até o  sistema de condicionamento de amostra localizado no rack do CEMS.

A linha de amostragem é aquecida até a entrada do dispositivo de remoção de água (condensador termo-elétrico  de água ), proporcionando a integridade da temperatura e mantendo a amostra na fase gasosa  desde a sua retirada da chaminé . Também serve como meio de transporte  para o gás de calibração e a linha de blow-back , bem como AC e os fios de sinal deste para a sonda montada na chaminé.

O sistema de amostragem proporciona também várias outras funções , todas as quais estão contidas dentro de seu suporte de módulo montado . Uma bomba de diafragma de amostra é utilizado para proporcionar a força motriz para a extração inicial da amostra do gás da pilha. A amostra é retirada através da primeira fase do dispositivo de remoção de água ( separação inicial ) e, em seguida empurrado por meio da segunda fase ( separação final ) , condicionado (secagem ), a amostra a um ponto de orvalho de 41 ° C. Um regulador de pressão de retorno é então utilizado para manter a pressão da amostra positiva para o controlo do fluxo e do painel de distribuição. Pressão da amostra é indicado localmente e um contato seco é disponibilizado para indicação remota do estado da bomba. Transição água em estado líquido é indicado por um contato de alarme de intrusão de água que também controla a bomba de on / off status. Um filtro fino final é usado antes da distribuição da amostra para assegurar uma amostra limpa . O medidor de vazão indica o fluxo total disponível do sistema de condicionamento de amostras .

Controle de Fluxo / Painel de Distribuição

Este módulo montado na cremalheira é fornecida como uma interface entre o sistema de condicionamento de amostra e os analisadores individuais de cumprimento . O módulo aceita o fluxo total do sistema de condicionamento de amostras e através de uma configuração de válvulas original, fornece analisadores individuais com indicação de controlo de fluxo e em ambos os modos de amostra e de calibração. Seleção de funções de controlo de fluxo podem ser introduzidos localmente no painel ou por fecho do contacto remoto. Analisadores podem ser desafiados com padrões de calibração através da sonda da amostra , bem como diretamente no analisador. Sonda de blow back também pode ser iniciado manualmente. Um alarme de intrusão de água disponível no módulo como uma verificação final sobre a integridade da amostra .

Tecnologia de medição (base seca)

Estamos oferecendo , analisadores controlados micro processadores multi-componentes com base nos métodos espectroscópicos de ultra violeta não dispersivo ( NDUV ) e infra vermelho não dispersivo ( NDIR) .

Um instrumento mede SO2 , NO e NO2 ( NOx calculado) em uma ampla faixa dinâmica , com pouca ou nenhuma interferência cruzada entre as espécies . Ele incorpora a mais avançada tecnologia e prática disponível - uma única célula , arquitetura feixe de divisão usando duas fontes de radiação ultra violeta . Uma medida adicional , O2, pode ser fornecida pelo método electro catalítica . Um sensor de óxido de zircónio pode ser localizado no analisador SO2/NOx fornecendo apoio para o sensor de CO2 .

O outro instrumento analítico é um único feixe / NDIR duplo comprimento de onda de medição de CO/CO2 , utilizando um detector de transmissão de dupla camada , a interferência de outros gases é minimizado

ELEMENTOS PRINCIPAIS DE UM SISTEMA DE CEMS

ANALISADORES

Com base na seleção do sistema de amostragem , as seguintes técnicas são utilizadas por fabricantes de analisadores que podem lidar com uma amostra quente / úmido , amostra seca, ou a amostra diluída.

Sistema  CEM opcional (base úmida )

O elemento chave do sistema de amostragem está na sua capacidade para manter a amostra de gás  a uma temperatura acima do ponto de orvalho do ácido em todo o seu ciclo de transporte para os analisadores de conformidade. Como a oferta é uma medida base úmida direto extrativa , esta manutenção da temperatura é fundamental para assegurar os valores confiáveis ​​e precisos .

Sonda instalado na Chaminé :

A amostra de gás é obtido através da utilização de uma sonda de extração montada na chaminé . O sistema é concebido de tal forma que o comprimento da sonda penetra na parede da chaminé para uma posição dentro do chaminé (ver fig.7) e que permite que  uma amostra representativa possa ser continuamente retirada.












Fig.7 - Sonda de Amostragem para Chaminés da JCT Analysentechnik

Várias funções importantes são incorporadas no projeto da sonda. Os elementos de aquecimento para a própria sonda , o elemento de filtro cerâmico e o invólucro são incluídas para manter a temperatura do ponto de ajuste. Um elemento de grande porte, de cerâmica rígida, o filtro proporciona excelentes resultados com os gases ácidos e permite o ricochete de alta pressão do elemento e o comprimento da sonda. A extremidade  da sonda (tipo de fluxo de calibração), conforme exigido pela regulamentação, é facilmente acomodado.

Os materiais de construção são de aço inoxidável 316 para a resistir  à corrosão e alta temperatura . A sonda é facilmente conectada a chaminé  através de um flange de  4 ", 150 #  A tampa removível permite o acesso fácil a todas as conexões de cabos e tubulações , bem como a manutenção de componentes, quando necessário.

Analisadores de gases de topo no alto-fornos são utilizados para orientar a operação no equilíbrio entre as variáveis ​​do processo . No alto forno, o óxido de ferro é reduzido através de uma série de reações químicas que envolvem o coque , oxigênio e água. O carbono no coque reage com o oxigênio e água  introduzida no alto-forno gera  CO e H2 . O CO e H2 reduzem  gases ,para então, reagir com o óxido de ferro para produzir ferro , água e CO2

Fig.8 - Sonda Amostragem analise dos gases de topo do Alto Forno

Na fig.8., acima podemos observar uma sonda de amostragem que é instalada no topo do Alto Forno, cuja função é a extração continua dos gases, lembrando que este tipo de sonda não é estacionaria e utiliza sistema de refrigeração e materiais especiais aplicados na sua construção devido as altas temperaturas de exposição da sonda. A quantidade medida de H2 , H2O, O2 , CO e CO2 contido nos gases dos altos-fornos reflete com precisão os processos químicos no interior da fornalha , se tornando uma importante ferramenta de diagnóstico e controle.

Sondas de Amostragem para analise de gás natural

Uma outra aplicação para as sondas é a analise do gás natural contido em uma tubulação, a amostra do gás a ser analisado deve ser extraído a partir de um determinado ponto da tubulação e transportado para o analisador em questão. Este processo de extração da amostra  tem um certo número de dificuldades inerentes entre as quais relatamos alguns tais como; gás natural normalmente fluindo a uma velocidade considerável, através da tubulação e portanto a concepção da sonda é essencial. Também devemos levar em consideração dados como o volume interno do sistema de amostragem e as propriedades físicas do gás que esta sendo amostrado para ser analisado.

Sonda sendo instalada por especialista da Genie Filter

O processo da inserção de uma sonda em um fluxo de gás que esteja e uma velocidade alta  não é tão simples como pode parecer no primeiro momento. A maior dificuldade  é que, da mesma forma que uma antena do veículo como exemplo pode oscilar em certas velocidades e as chaminés mais altas e estreitas podem oscilar em determinadas velocidades do vento, na sonda as oscilações podem ocorrer a uma determinada taxa de fluxo de gás, resultando em um eventual falha mecânica da sonda devido a sheering sob estresse.

Este é o resultado de um fenômeno conhecido como Vórtice de Karman , muitas vezes referenciado como desprendimento de vórtices. Sob certas condições, redemoinhos se formam a jusante da sonda, estas alterações locais na pressão ao redor da sonda  é o que faz com que a sonda comece a oscilar.

Os fabricantes de sonda para este tipo de aplicação tem uma solução para o problema da formação de vórtices  instalando uma aleta helicoidal tripla que muda drasticamente a dinâmica do escoamento do gás de todo o perfil da sonda,  eliminando os efeitos formação de vórtices e eliminando o risco potencial da sonda ser destruída.

Ressaltando que o ponto de amostragem deve estar localizado numa sessão da tubulação aonde não ocorra escoamento que oscile muito a vazão. Qualquer turbulência que possa vir  ocorrer causado por cotovelos, T, reduções, manifolds, válvulas, placa de orifício, são potenciais geradores de aerossóis.  Os efeitos dos aerosois são causados devido a  turbulências na velocidade de escoamento.

Sendo assim, o local preferido para a localização da sonda de amostragem deve ter no mínimo de  5 a 20 diâmetros a jusante, estar livre de todo potencial gerador de distúrbio no fluxo, a preferência deve recair sempre  por uma linha horizontal, eliminando assim qualquer potencial problema no manuseio de amostragem, devido a entrada de liquidos.  

Controle e Otimização da Combustão atraves da analise online do Oxigenio (O2) e do Monoxido de Carbono (CO)

Controle e  Otimização da Combustão através da analise online do Oxigênio (O2) e do Monóxido de Carbono (CO)

 

Introdução: O objetivo desta publicação é abordar as técnicas utilizadas  na analise online do porcentual de Oxigênio (O2) e  do Monóxido de Carbono (CO), tendo como objetivo principal contribuir com a melhoria da eficiência da combustão e o rendimento térmico em equipamentos, tais como;  fornos, caldeiras, incineradores, assegurando que estes equipamentos estejam operando corretamente dentro das especificações técnicas a que foram projetados e possam operar com um item muito importante relacionado como a redução de poluentes que são lançados na atmosfera.

Não é parte integrante deste artigo abordar técnicas como ‘eficiência energetica’ e outros temas ligados a performance dos equipamentos e sim as técnicas que são utilizadas para medir e com isto otimizar o uso de combustíveis e fazer com que o excesso de ar requerido para uma operação segura cause uma boa rentabilidade.

A atual preocupação ecológica, levou ao estabelecimento de normas ambientais rigorosas. Para otimizar a rentabilidade das câmeras de combustão através do controle de ar é que devemos tomar muito cuidado porque a simples redução ou aumento da quantidade de ar e combustivel que esta sendo queimado podem trazer consequencias operacionais danosas ao equipamento e as pessoas envolvidas na operação e também assegurar o cumprimento das normas ambientais federais e estaduais dependendo da região aonde o equipamento estiver instalado.

O controle da poluição e o controle do rendimento são realizados de forma independente pelos respectivos operadores assim a interação entre o excesso de ar, rendimento térmico e emissão de poluentes, na maioria das vezes  acaba sendo mal compreendido e não é otimizado adequadamente.

O excesso ou redução da quantidade  de ar influencia tanto a eficiência térmica, quanto o nível de emissão de poluentes (CO, NOx, SOx) dos equipamentos. Nesta publicação comentamos sobre  o principio de funcionamento dos analisadores de O2 e CO utilizados para a analise continua dos gases, cujo resultado da analise é parte integrante de uma estratégia de controle utilizada no controle da combustão, tendo como meta principal a melhoria da performance ou seja o controle otimizado do ar utilizado na combustão e o consumo de combustivel.

T E O R I A   D A  C O M B U S T Ã O

Ressaltando que o controle eficiente da combustão reduz o SOx e o NOx

Para que ocorra uma combustão eficiente é necessário uma quantidade de ar estequiométrica, conhecida como ar teórico, mas para conseguir uma combustão completa é preciso que esteja ocorrendo um “excesso de ar” de modo a assegurar um teor de oxigênio até o final da chama, para superar as deficiências de mistura do queimador.

Na tabela abaixo indicado é possível se obter valores de referencia de acordo com o tipo de combustível e a fornalha. O coeficiente de excesso de ar (α) é um modo de se expressar a relação ar/combustível, que é a relação entre a quantidade total de ar que esta sendo utilizado no processo de combustão (Var) (kg.kg.comb. ou m3/kg de combustível e a quantidade de ar estequiométrica ((Vºar)). α=  Var / Vºar  (adm) (1)

Tipo de Combustivel	Modelo de Fornalha/Queimador	α
Carvão Pulverizado	Aquatubular completa Aquatubular parcial fundo seco	1,15  a 1,20 1,15  a 1,40
Carvão Britado	Fornalha Ciclone	1,10  a 1,15
Carvão	Grelha fixa Grelha vibratória Grelha rotativa Grelha fixa alimentação inferior	1,30  a 1,60 1,30  a 1,60 1,15  a  1,50 1,20  a  1,50
Óleo Combustivel	Queimadores de óleo tipo registro Queimadores multi-combustivel	1,05  a  1,15 1,05  a  1,15
Residuo Ácido	Queimadores chama plana a vapor	1,10  a  1,15
Gás Natural	Queimadores tipo registro	1,05  a  1,10
Gás Coqueria	Queimadores multicombustivel	1,07  a  1,12
Gás Alto-Forno	Queimadores de bocal intertubos	1,15  a  1,18
Madeira	Grelha	1,20  a  1,25
Bagaço	Todas as fornalhas	1,25  a..1,35
Licor Negro	Fornalhas recuperação Kraft e Soda	1,05 .a  1,07

       Valores de referência para o coeficiente do excesso de ar (α)

       Cabe ao responsável pelo projeto de analise online dos gases, avaliar e se decidir pela escolha da melhor       tecnologia de medição a ser aplicada, dependendo do equipamento, combustivel e tecnologia utilizada

      na combustão.

       Podemos classificar o processo de combustão, em dois itens importantes;

     . Combustão completa.

     . Combustão incompleta.                       

     Quando  o combustível disponibilizado nos queimadores reage com o oxigênio (comburente), diz-se que        esta ocorrendo uma combustão completa. Em uma combustão completa, ocorre a produção de
     um número limitado de produtos.

     A combustão completa de combustíveis compostos exclusivamente por hidrocarbonetos gera 
     apenas dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Entretanto, os hidrocarbonetos normalmente 
     estão  misturados a outros elementos como nitrogênio,enxofre e ferro. Estes elementos também são 
     queimados, tendo como resultado a formação de outros óxidos dos quais se destacam os mais comuns: 
     dióxido de nitrogênio (NO2), dióxido de enxofre (SO2) e óxido de ferro III (FeO3).

     Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da reação, consegue-se     
     calcular o ar necessário para a queima eficiente do combustível. A quantidade de ar que fornece 
     o oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível é denominada de “ar      
     teórico” ou “ar estequiométrico”. Na prática, é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o

     ar estequiométrico, sendo necessário recorrer a um percentual seguro de excesso de ar para evitar a 
     combustão incompleta.

     A combustão incompleta é altamente indesejável do ponto de vista energético,ambiental e de segurança,        pois além de não queimar o combustível, o qual é liberado pela chaminé (combustível gasoso), a      
     combustão incompleta produz inúmeros produtos nocivos ao meio-ambiente, tais como monóxido de      
     carbono (CO),que é letal. Também há liberação de átomos de carbono sob a forma de fuligem.

     Além do suprimento ineficiente de oxigênio, outros fatores podem causar uma combustão incompleta: 
     baixa turbulência, baixo tempo de residência, nebulização deficiente do combustível (no caso de líquidos).

     Perdas energéticas na combustão incompleta

     Além da emissão de poluentes na atmosfera há também prejuízos energéticos associados à combustão        incompleta, conforme pode ser observado na equação E = m ×PCI (3-1)

     Sendo:

     E: Energia devido à queima incompleta;

     m: Massa de gás combustível não queimada na queima incompleta;

     PCI: Poder calorífico inferior do gás combustível;

     Perdas energéticas por excesso de ar na combustão completa

     Conforme visto, a combustão incompleta representa um grande desperdício de combustível, além
     de emitir vários poluentes na atmosfera, devendo-se recorrer a percentual seguro de excesso de ar na      
     combustão para garantir a reação completa do combustível.

   
      A introdução do excesso de ar na reação de combustão, contudo, implica em perdas energéticas no             processo, pois parte da quantidade de calor liberada na queima é utilizado para aquecer o ar em excesso       e é liberado pela chaminé.

      A quantidade de calor desperdiçada neste caso é dada pela equação.

         E = m × c × T -T (3-2)

       Sendo:

       EAR: Energia desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar;

       mAR: Massa do excesso de ar na combustão;

       cAR: Calor específico do ar;

       TF: Temperatura de saída do ar aquecido;

       TI: Temperatura de entrada do ar no queimador.

        O excesso de ar é fator determinante da eficiência da combustão, pois controla o volume, temperatura e         entalpia dos produtos da combustão. Um grande excesso de ar é indesejável, pois diminui a 
        temperatura da chama e aumenta as perdas de calor devido à entalpia dos gases efluentes, reduzindo a         eficiência térmica, além de diminuir o comprimento da chama. Por outro lado, um baixo excesso de ar           pode resultar numa combustão incompleta e na formação de CO, fuligem e fumaça, além

        de possibilitar a acumulação de combustível não queimado, causando risco de explosão.

         O valor ótimo do excesso de ar é aquele que garante a combustão completa sem, contudo, gerar 
         elevadas perdas de calor pela chaminé. Não existe consenso na literatura a respeito do excesso de ar 
         a ser utilizado. Para a queima de gás natural, os valores típicos para o excesso de ar situam-se entre 
         7% e 15%.

         A figura abaixo relaciona as perdas por excesso de ar com a concentração dos produtos tóxicos 
         liberados na reação de combustão incompleta.

        

         Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da reação, consegue-se 

         calcular o ar necessário para a queima eficiente do combustível. A quantidade de ar que fornece o 
         oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível é denominada de “ar 
         teórico” ou “ar estequiométrico”. Na prática, é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o

         ar estequiométrico, sendo necessário recorrer a um percentual seguro de excesso de ar para evitar a 
         combustão incompleta.

          A combustão incompleta é altamente indesejável do ponto de vista energético,ambiental e de 
          segurança, pois além de não queimar o combustível, o qual é liberado pela chaminé (combustível 
          gasoso), a combustão incompleta produz inúmeros produtos nocivos ao meio-ambiente, tais como 
          monóxido de carbono (CO),que é letal. Também há liberação de átomos de carbono sob a forma de 
          fuligem.

          Além do suprimento ineficiente de oxigênio, outros fatores podem causar uma combustão incompleta: 
          baixa turbulência, baixo tempo de residência, nebulização deficiente do combustível (no caso de 
          líquidos).

          Perdas energéticas na combustão incompleta

       Além da emissão de poluentes na atmosfera há também prejuízos energéticos associados       
       à combustão incompleta, conforme pode ser observado na equação E = m ×PCI (3-1)

       Sendo:

      E: Energia devido à queima incompleta;

      m: Massa de gás combustível não queimada na queima incompleta;

      PCI: Poder calorífico inferior do gás combustível;

      Perdas energéticas por excesso de ar na combustão completa

      Conforme visto, a combustão incompleta representa um grande desperdício de combustível, além de 
      emitir vários poluentes na atmosfera, devendo-se recorrer a percentual seguro de excesso de ar na 
      combustão para garantir a reação completa do combustível.

      A introdução do excesso de ar na reação de combustão, contudo, implica em perdas energéticas no      
      processo, pois parte da quantidade de calor liberada na queima é utilizado para aquecer o ar em       
      excesso e é liberado pela chaminé.

      A quantidade de calor desperdiçada neste caso é dada pela equação.

        E = m × c × T -T 

Sendo:

E:  Energia desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar;

m: Massa do excesso de ar na combustão;

c:  Calor específico do ar;

Tc: Temperatura de saída do ar aquecido;

TI: Temperatura de entrada do ar no queimador.

O excesso de ar é fator determinante da eficiência da combustão, pois controla o volume, temperatura e entalpia dos produtos da combustão. Um grande excesso de ar é indesejável, pois diminui a temperatura da chama e aumenta as perdas de calor devido à entalpia dos gases efluentes, reduzindo a eficiência térmica, além de diminuir o comprimento da chama. Por outro lado, um baixo excesso de ar pode resultar numa combustão incompleta e na formação de CO, fuligem e fumaça, além

de possibilitar a acumulação de combustível não queimado, causando risco de explosão.

O valor ótimo do excesso de ar é aquele que garante a combustão completa sem, contudo, gerar elevadas perdas de calor pela chaminé. Não existe consenso na literatura a respeito do excesso de ar a ser utilizado. Para a queima de gás natural, os valores típicos para o excesso de ar situam-se entre 7% e 15%.

A figura abaixo relaciona as perdas por excesso de ar com a concentração dos produtos tóxicos liberados na reação de combustão incompleta.

O valor de α pode ser calculado a partir da análise da composição volumétrica (%) dos produtos da combustão.

α= % CO2 estequimétrico / %CO2    (2)
α = 20,9 / [20,9 – (%O2  - / %CO2)]  (3)
α= % CO2 estequimétrico / %CO2    (2)
α = 20,9 / [20,9 – (%O2  - / %CO2)]  (3)

Ressaltamos que o excesso de ar é o fator determinante para se obter a eficiência da combustão pois controla o volume, temperatura e entalpia dos produtos da combustão.

Voltamos a destacar que um volume muito grande de excesso de ar é indesejável, porque reduz a  temperatura da chama e com isto aumenta as perdas de calor devido à entalpia dos gases efluentes (Q2), diminuindo a eficiência térmica, além de alterar o comprimento da chama.

Ao contrário, um baixo excesso de ar pode influenciar de forma direta, gerando uma combustão incompleta e interferindo na formação do Monóxido de Carbono (CO),  fuligem e fumaça, além de possibilitar o acúmulo de co não queimado, incluso gerando risco de explosão.

O valor desejável do excesso de ar ocorre onde as duas influências estão em equilíbrio, suficientemente baixo para minimizar a perda de calor (Q2) sem produzir combustão incompleta.

Assim, o valor ótimo depende da principalmente da eficiência da combustão aceitável e dos limites de poluição impostos para o NOx e o CO. É possível obter experimentalmente este resultado através da analise dos produtos da combustão, durante o ajuste do equipamento de combustão.

Volume (m3/kg CNTP); Cpg= calor específico e Tg= temperatura saída dos gases efluentes (ºC). Q2 = Vg.Cpg.Tg - Vºar.Cpar.Tar (kJ/kg comb)(4) onde Vg= vo 

Combustão Otimizada;

Lembrando que o excesso de ar, retira o calor gerado durante o processo de combustão, causando prejuízo devido a necessidade de se aumentar a quantidade de combustível, assim como pouco ar ou muito combustível, gera perda de energia.

    Por isto se faz necessário a instalação dos analisadores online de O2 e CO para manter a combustão      
    dentro de limites que não permitam tanto o excesso de Ar, quanto o aumento do CO que além dos 
    fatores mencionados acima, acaba expondo o equipamento a condições operacionais inseguras.

    A dificuldade na análise do controle do processo de combustão real é gerado pelo fato que o coeficiente         de que o excesso de ar acaba afetando a eficiência e os níveis de emissão de formas diferentes e
    em  oposição. 

    A combustão com excesso de ar inferior a α1 (faixa A) não é aceitável, porque o teor de CO nos    

   produtos da combustão excede os limites. Com excesso de ar entre α1 e α2 (faixa B), tem-se uma 
   combustão quase completa e um baixo α.

    1CH4 + 2    O2-     à 1 O2 + 2 H2O     (Queima  completa)

    1CH4 + 1,5 O2      à 1 CO + 2 H2O     (Queima incompleta emissão de CO)

    1CH4 + 1    O2 + 1 C + 2 H2O             (Queima incompleta emissão de Fumos)

    Esta faixa é ideal devido às baixas emissões de CO e NOx, com alta eficiência da combustão.
    Entretanto, para operar na faixa B é necessário ajustar os queimadores ou modificar radicalmente o         processo de combustão. Na maioria das instalações de combustão, a faixa B só pode ser realizada  
    com combustão em multi estágios, combustão sub-estequiométrica ou recirculação de gases.

   Na faixa C, os níveis de emissão de NOx excedem os limites da norma e a operação só é possível          com equipamentos de tratamento dos gases efluentes.


   A eficiência da combustão é inferior à da faixa B, mas ainda é aceitável. Na faixa D, os níveis de         
   emissão de CO e NOx encontram-se dentro dos limites, mas a eficiência é baixa.


   Pela análise da figura verifica-se que a operação deve ser realizada nas faixas B ou C. Entretanto, para    operar nestas faixas, muitas vezes é necessário implementar modificações no processo ou instalar    
   equipamentos de pós-combustão dos produtos. O balanço econômico (investimento/operação) vai    
   determinar a instalação destes equipamentos, ou mesmo determinar a operação fora da região de   
   eficiência ótima (faixa D). Certos sistemas de combustão comportam-se de modo diferente e algumas 
   das faixas citadas podem não existir.

   Um fator que devemos levar em consideração e ter muita atenção é quando abordamos a questão da    
   optimização de um processo de combustão é com a quantidade de ar. Excesso de ar na zona de    
   combustão, acaba gerando como resultado uma concentração de oxigênio residual no gás de combustão.    
    A combustão se torna eficiente quando o combustível for queimado em um alto gradiente de temperatura.

    Se uma quantidade demasiada de  ar for enviado para dentro da zona de combustão, ocorre um      
    arrefecimento desnecessário e em consequencia ocorre um aumento das emissões de NOx e  um   
    resultado indesejado, ao contrario ou seja em condições com escassez de oxigênio, um ocorre um    
    aumento das emissões de CO. Inconvenientes adicionais com a redução de O2 devem ocorrer, como a    
    existência de combustível não queimado e a corrosão das paredes do vaso e feixe tubular de vapor.

   
    Por estas razões, optimizar e ajustar continuamente a quantidade de excesso de ar via analisadores  é    
    muito importante para manter o processo de combustão eficiente.

    Esta atividade envolve diversos parâmetros, mas o controlo da concentração de oxigênio e a temperatura   
    de combustão a partir de medições in situ, diretamente na zona de combustão quente acaba gerando      
    bons resultados operacionais.

    O diagrama mostrado a seguir é uma referencia para que todos possam entender este tipo de aplicação é 
    que os analisadores de O2 e CO, são partes integrantes da estratégia de controle;

    “Gostariamos de ressaltar sempre que a eficiência energética e o meio ambiente são dois itens que 
     devem trabalhar sempre de modo associados” para se obter um resultado satisfatorio.Lembrando  que na 
     maioria das vezes em sistemas de combustão atenção redobrada deve ser dado a instrumentação de 
     controle (transmissores, válvulas de controle), analisadores de O2 e CO e aos dampers 
     (tiragem induzida, forçada) pois são estes equipamentos com problemas tais como folgas e       
     emperramento os maiores empecilhos para que se alcance uma combustão eficiente e otimizada.

     Malha de controle da  combustão com limites cruzados e analisador de O2

     A seguir descrevemos uma malha de controle aonde pode se identificar o sinal gerado pelo analisador que      faz parte da estratégia de controle que faz através do analisador de oxigênio o controle do ar (excesso)     
     tornando a combustão completa e com alcançando uma boa performance do equipamento.

 Analisadores de O2  aplicados na monitoração e controle dos processos de    combustão

A seguir abordamos o principio de funcionamento dos principais analisadores de gases, aplicados na analise de gases, cujo objetivo principal é a sua utilização nos processos de combustão

TDL (Laser de Diodo Sintonizável), extrativo acoplado a um analisador tipo IR para analise de CO.

       
       O TDL-(laser de diodo sintonizável) baseados na absorção de gases por espectroscopia é um sistema óptico que        utiliza o laser para produzir um comprimento de onda específico da luz sintonizado para uma linha de        
       absorção, a frequência de luz conhecido do "alvo" gases.  A luz do laser estimula as vibrações e o movimento    
       da molécula, o que resulta na absorção de energia, permitindo a detecção de vapor de água e outros gases. A A        concentração de gás é calculado medindo-se a diferença na quantidade de luz recebida por cada comprimento        de onda através do detector que fica alojado dentro do próprio analisador, uma outra diferença que deve  ser          levado em consideração é porque se trata de um analisador to tipo “in-situ”, não faz uso de sistema de      
       condicionamento da amostra.

       Até o presente momento, não esta disponível  analisadores de gases tipo "in situ"  para analise de CO.

     Oxido de Zircônio Extrativo

Com a temperatura acima de 400 graus C o sensor de oxido de zircônio começa se tornar condutor dos        íons de oxigênio, gerando uma diferença de potencial entre ambos eletrodos.

A temperatura normal de operação esta situado ao redor dos 750 graus C.

O nível de  valor da tensão  depende da diferencia entre a pressão parcial do O2 contido na amostra e do        gás de referencia (geralmente se utiliza ar de instrumento ) e se utiliza como referencia a equação de 
Nernst:

    E= (volts)=RT  ln= -2.3026   P1 log

                    nF                       P2

               

   Onde:

   R= constante molar do gás

   T= temperatura absoluta da célula em  ºK  (Kelvin)

   F= constante de Faraday

   P1= pressão parcial do O2  (gás de referencia) (ar de instrumento na maioria das aplicações)

   P2= pressão parcial do O2 (contido na amostra)

   Portanto, com ar em ambos os lados da célula, a tensão de saída é zero (log1=0).

O eletrodo de referencia é negativo (-) em relação ao eletrodo da amostra em concentrações de oxigênio     
superiores que ao do ar e é positivo (+) para concentrações inferiores.

Segundo a aplicação se pode utilizar como referencia o eletrodo interno ou externo. A tensão de saída    se processa eletronicamente para se obter o sinal de saída proporcional a concentração de O2, sendo      enviado para sistemas de monitoração, alarme e controle.

O eletrodo de referencia é negativo em relação ao eletrodo que contem o gás    
amostrado e em concentração de oxigênio superiores a do ar e positivo para 
concentrações inferiores.

     Oxido de Zircônio semi extrativo combinado com analise de CO

     No mercado podemos encontrar analisadores semi-extrativo tipo 'in situ" que analisa através de

     um único  analisador as medidas do O2 e do CO, utilizando como principio para analise do oxigenio 

     a  celula do oxido de zircônio, combinado com a analise de CO.

     Este tipo de analisador é bastante confiável e não faz uso de um sistema de condicionamento da amostra

     além da disponibilidade das duas medições O2 e CO ao mesmo tempo facilitando a estratégia de controle

     da combustão.

     Paramagnetico, acoplado a um analisador tipo IR para analise de CO.

   

    A propriedade paramagnética do oxigênio faz com que uma amostra de gás contendo oxigênio se      
    mova dentro de um campo magnético. Este é o principio básico utilizado por todos os analisadores         de      O2 do tipo paramagnético  e a partir deste ponto foi  desenvolvido um modelo de célula com
    arranjos particulares a cada um destes fabricantes

     Dentre os analisadores de gases utilizados para se efetuar a analise online de gases para ser aplicado em combustão      é o mais utilizado para  medição de O2, sendo que o único inconveniente que devemos ter cuidado é que devido ao        principio de medição este analisador.

     Um ponto importante que deve ser ressaltado é que a amostra do gás  analisado deve estar isento de umidade        porque a presença de agua arrastada pela amostra proveniente do processo de combustão pode interferir  no    

     resultado da medição e danificar a celula do analisador.

     Além deste  item importante também devemos ficar atentos com a presença de material particulado no gás    

     amostrado porque o deposito de particulas solidas na parte interna da celula danifica a mesma de forma    

     permanente devido ao entupimento provocado nos tubing que conduzem para a  amostra na parte interna da    

     celula de medição. Em razão do exposto acima, o analisador  necessita de um ‘sistema de 
    condicionamento da amostra’ bastante eficiente.

     
      Analisador tipo Infra-Vermelho

      O  analisador de infra vermelho para aplicação industrial é um instrumento analítico, o qual foi projetado         para determinar, quantitativamente, em uma mistura de dois ou mais gases, um dos componentes.

    Este tipo de analisador utiliza o princípio de que as moléculas de um determinado gás absorvem o raio     
    infra vermelho e analisa de forma continua a variação da concentração de um componente específico de 
    uma mistura gasosa.

    O analisador por IR, opera através de um espectro eletro magnético, no qual seu comprimento λ se    
    encontra situado em uma faixa de valores, determinada neste caso na região IR (Infrared) ou IV (Infra 
    vermelho).

  
  

  

(Nereu Guimarães (ng1949@uol.com.br)