CONTROLE DA COMBUSTÃO EM FORNALHAS

Benefícios de um controlador de combustível baseado em O2 para as termoelétricas à biomassa.

Este artigo toma como ponto de partida o artigo citado a seguir, mas não se limita ao seu conteúdo, incluindo comentários sobre a malha de combustão e analisadores de oxigênio.

Baseado no artigo: “Benefits of an O2-based fuel controller for biomass plants”

https://www.isa.org/intech/201602web/

Num artigo anterior intitulado de Sistema de Monitoramento Contínuo de Emissões – CEMS, falamos de modo geral sobre os sistemas usados para medir e monitorar de forma garantidamente confiável, os poluentes atmosféricos. No entanto é mais importante controlar o processo para o melhor rendimento e menor emissão de poluentes do que ter que investir em sistemas de monitoramento e mitigação de poluentes, muito embora a situação ideal de máximo rendimento e emissão zero, seja um ideal teórico longe de ser alcançado na prática. Portanto o controle da combustão apesar de fazer parte dos CEMS, trabalha em conjunto com este para otimizar a operação da fonte de emissão, agora chamada de fornalha de uma caldeira de vapor.

Em recente artigo publicado na revista eletrônica Intech de fevereiro de 2016, os autores Andrew Gentile da Gentile Engineering, Inc, e Sheldon Schultz da Yanke Energy, Inc. falam sobre as vantagens de se manter uma malha de controle de combustão com o controlador primário fixado na medição online do oxigênio em caldeiras de biomassa de madeira interligadas a turbo geradores de energia.

biomassa

A figura acima mostra pilhas de cavacos de madeira utilizada como combustível em caldeiras de biomassa.

O PROBLEMA

Os autores iniciam falando das dificuldades encontradas para manter estável o fornecimento de combustível em caldeiras de biomassa de madeira. Eles destacam as características de não uniformidade deste tipo de combustível, quanto a variações na densidade, umidade, teor de cinzas e poder calorífico.

The inside story: 2 Basic Boiler Control

Os autores chamam atenção para a necessidade de atuação constante do operador em fornalhas que operam em manual, e a criticidade de que um ajuste excessivo causam oscilações, diminuição da eficiência, menor produção de vapor e aumento das emissões poluidoras.

caldeira

A figura acima mostra um exemplo de caldeira de biomassa. Fonte: (www.lippel.com.br)

Em plantas que operam em automático, é comum um controle baseado na pressão de vapor, que dependerá de uma variação de pressão no tubulão da caldeira para efetuar as ações de controle, o que comprovadamente resultará num controle mais lento.

A SOLUÇÃO

Um controle baseado na medição do excesso do ar pela análise do oxigênio nos gases de combustão pode desvios de pressão e ajustar a vazão do combustível antes de ocorrer uma variação da pressão, estabilizando o processo de combustão e melhorando a eficiência da produção de vapor.

curva combustão

A figura acima mostra a curva característica teórica de uma caldeira, controlando as variações de oxigênio no ponto estequiométrico de menor emissão de CO e NOx.

O ponto estequiométrico de queima ideal varia para cada tipo de caldeira e para cada mistura de combustível empregado. O papel do controle de O2 é estabilizar o processo de combustão em torno do ponto de funcionamento ideal da caldeira.

estequiometrica

O gráfico acima mostra o ponto de interseção de duas curvas, de excesso de ar e de perda de combustível. Este é pondo estequiométrico de melhor eficiência da combustão, onde haverá menor perda de energia e menor emissão de gases poluidores.

Os autores mostram um estudo de caso com um controlador de O2 instalado numa caldeira em 2010.

o2 manual

O gráfico acima mostra as variações no oxigênio e no combustível em controle manual.

Como resultado do controle em automático pelo ar, foi constatado um aumento de 14,6 por cento, ou aproximadamente 1 MW em potência elétrica na caldeira. Além disso um sistema controlado por pressão é concebido para corrigir um erro na pressão do cilindro que já ocorreu. Um controlador de O2  pode prever e impedir que o erro aconteça.

o2 automatico

O gráfico acima mostra as variações no oxigênio e no combustível em controle em automático.

A MALHA DE CONTROLE

Na realidade o controle em automático baseado na medição do oxigênio é indicado não só para caldeiras de biomassa, mas também para fornalhas que queimam óleo combustível e gás combustível. O tipo de malha de instrumentos indicada para este tipo de estratégia de controle é conhecida como controle de limite cruzado.

limite cruzado

Na malha de controle de combustão acima o combustível e o ar de combustão são ajustados com base na medição do oxigênio que atua nos controladores de ar e de combustível, em conjunto com as medições de vazão de vapor e de combustível, de acordo com os relés de seleção FY.

O ANALISADOR DE OXIGÊNIO

Existem várias técnicas de medição de oxigênio, cada uma delas tem características próprias, vantagens e desvantagens. Existem ainda analisadores duplos que realizam a medição do oxigênio e do CO, para possibilitar um melhor controla da combustão.

ENOTEC InSitu gas analysis – Spanish

Tradicionalmente até uns 40 anos atrás usava-se um analisador de oxigênio do tipo Paramagnético para medir o excesso de ar nos gases de combustão. Este tipo de analisador é extrativo e prescindia um sistema de amostragem e condicionamento que além de encarecer a instalação, provocava uma medição lenta e exigia muita manutenção.

o2 ge

A figura acima mostra um analisador do tipo paramagnético. Fonte: GE-Panamétrics.

A tempos atrás num artigo intitulado Amostragem para Analisadores de Processo, descrevemos o funcionamento, as partes e características essenciais de um sistema de extração de amostras gasosas para análise contínua. Naquela ocasião falamos dos requisitos exigidos na amostra para que ela seja representativa e capaz de propiciar uma análise confiável da corrente do processo.

Posteriormente e até os dias de hoje usa-se muito o analisador de oxigênio do tipo Óxido de Zircônia, mais compacto, efetua medições mais rápidas dentro do processo, não requer sistema de amostragem e exige menos manutenção do que o anterior. Este tipo de analisador atualmente ainda é o mais utilizado para esta aplicação.

o2 yew

A figura acima mostra um analisador de oxigênio do tipo Óxido de Zircônia. Fonte: Yokogawa.

Combustion gas analyzers ABB Endura AZ20 series

Mais recentemente surgiu o analisador baseado na espectrometria do diodo laser sintonizado TDLS (Tuned Diode Laser Spectromety).

Tunable Diode Laser (TDL) Oxygen Gas Sensor

Esta é uma técnica de maior seletividade que pode efetuar medidas pontuais ou “cross stack”, diretamente dentro processo, em altas temperaturas, sem sistemas de maostragem resultando em medições mais rápidas e mais próximas dos queimadores das fornalhas, no entanto este instrumento é mais caros que os demais.

o2 mettler

Acima um analisador do tipo TDLS para instalação pontual. Fonte: Mettler toledo

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Para saber mais informações sobre analisadores para gases, visite:

www.ianalitica.com.br

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