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)