Control de Combustión para Hornos de Hidrocarburo

Autor: Ing. Fernando Hernandez Flores
Yokogawa de México, SA de C.V.
Revista InTech México Automatización
Agosto – Septiembre 2009

Análisis de combustión y control básico

La Combustión ineficiente puede dividirse en; aire enriquecido (demasiado aire en exceso) o en combustible enriquecido (poco aire en exceso). Las condiciones de combustible enriquecido deben evitarse a toda costa por razones de seguridad. Las condiciones del aire enriquecido, aunque seguro, resulta en pérdida de eficiencia y el aumento de las emisiones de NOx. Una regia general es que por cada aumento del 2% en exceso de oxígeno, los costos de combustible suben 1 %. Esto se debe principalmente al calor absorbido por el exceso de aire (5 veces el volumen del exceso de oxígeno).

El objetivo de control se convierte entonces en la consecución del menor valor posible de exceso de aire (oxígeno), con un margen de seguridad para garantizar que el sistema no se convierta en combustible enriquecido. Como puede verse en la figura siguiente, la combustión completa ideal o teórica ocurre a un nivel muy bajo de oxígeno, justo antes del avance de CO y los combustibles de los quemadores. En un sistema estático, el oxígeno solo podía ser utilizado como una variable de control, permitiendo que el sistema se ejecute a su valor bajo de exceso de aire, justo por encima del avance de CO.

En la práctica, el “punto de cruce”, que es el nivel de exceso de oxígeno donde CO comienza su avance, puede cambiar dramáticamente. En el mismo quemador, el nivel de oxígeno en el que se rompe a través de emisiones de CO se puede cambiar en > 1 % dependiendo de las siguientes condiciones de operación:

  • Diferentes Combustibles / Contenido Calórico Variable del Combustible
  • Cambios de Humedad (afecta el aire utilizado para la combustión)
  • La Variación de la Densidad del Combustible
  • Cargas Variables
  • El Ensuciamiento del Sistema del Quemador
  • Desgaste Mecánico del Sistema de Combustión

Control de la combustión utilizando sólo oxígeno

Normalmente el nivel de exceso de oxígeno “ideal” para el sistema se determina utilizando el modelo y los datos de los ensayos facilitados por proveedor del quemador y del horno. ¿Hasta qué punto por encima de este nivel “ideal” del sistema es operado y está determinado por la confianza en la medición de oxígeno? Si la medición de oxígeno tiene un alto nivel de incertidumbre, el punto de ajuste será movido muy por encima del ideal para asegurar un nivel adecuado de seguridad. La reducción de estos errores puede permitir que un sistema sea controlado mucho más cerca del punto de ajuste de diseño.

Control de la combustión utilizando oxígeno y de CO

El punto de control ideal es un nivel de exceso de oxígeno justo encima del avance de CO (indicativo de las condiciones de combustible enriquecido). Una medición exacta y representativa de CO puede determinar  el punto de referencia para el control de exceso de oxígeno, lo que normalmente se conoce como “control de ajuste de CO”. Con el análisis de oxígeno sólo, el punto de ajuste para el control es fijo {información sobre el diseño + margen de seguridad añadiendo la medición de CO en esencia se puede medir donde el ajuste del aire en exceso debería estar, independiente de las condiciones del sistema.

Un problema significativo con medición de CO (y el control de ajuste) es que cuando inicia el CO pasa rápidamente. Con quemadores de bajo NOx en el nivel de CO puede ir de < 10 ppm a > 100 ppm, con sólo unas pocas décimas de porcentaje de cambio en el exceso de oxígeno. Esto significa que si todo el sistema se permite que ocurra CO, puede ser demasiado tarde para cambiar la alimentación de aire. Sin embargo, si la medición de CO, es a la vez lo suficientemente rápido y lo suficientemente sensible, puede ser posible medir las emisiones de CO de una parte del sistema (quemador o banco de quemadores) antes que todo el sistema rompa, permitiendo el control que se mantendrá ligeramente por el aire enriquecido.

Tecnología actual y cuestionamientos

Análisis de oxígeno. Con sólo controlar el oxigeno (práctica actual) ó ajustes en el control de emisiones de CO, la precisión de los análisis de oxígeno determinará qué tan lejos del punto de ajuste “ideal” el sistema puede ser controlado.

La práctica actual es utilizar los analizadores de zirconia para medir el exceso de oxígeno. Mientras que los analizadores de zirconia pueden medir con precisión el oxígeno en muchas aplicaciones, para los hornos de hidrocarburos hay 4 grandes fuentes de error que deben enfrentarse:

  • Gradiente vertical (aire circulante). Los analizadores de zirconia en el lugar tienen un límite superior de temperatura de gas de aproximadamente 7000 C. Esto obliga la colocación de las sondas de medición lejos de la zona baja de combustión. El horno funciona a una presión negativa, y hay muchos puntos de fuga en el aire del ambiente que se elaboran en el horno. Esto se traduce en mediciones de oxígeno, que incluyen tanto el exceso de oxígeno de la combustión, como el aire ambiental. La experiencia práctica demuestra que el error de entrada del ambiente (aire circulante) puede ser 1-3% de oxígeno. Con el ajuste de “diseño” del exceso de oxígeno <1,5% este error es significativo. Además, la cantidad de aire ambiental puede variar dependiendo de la calidad del horno, la presión barométrica y la temperatura ambiente / humedad del aire exterior, por lo que no puede ser una simple sustracción de la medición.
  • Gradiente horizontal (distribución de oxígeno). Desde que los hornos contienen quemadores múltiples, cada uno con condiciones ligeramente diferentes, la distribución horizontal de oxígeno también puede ser grave. En otros sistemas de combustión de gases, sondas transversales se han utilizado para medir esto (abajo)’ y mostrar la distribución > 3% en puntos diferentes. La práctica común en los hornos de hidrocarburos moderna es colocar 2-3 sondas de zirconia instalados en diferentes puntos horizontales en el horno. Estos son por lo general acoplados cerca de analizadores de extracción para permitir su colocación cerca de la zona del quemador. Mientras que el aire ambiental se ha reducido o eliminado, el gradiente de oxígeno provocado por la variación del quemador se convierte en un tema de medición significativo. No es raro ver variaciones del 2-3% de oxígeno entre las sondas. Esta es otra gran fuente de error, que puede ser reducida mediante la instalación de sondas múltiples (y en promedio). Sin embargo, es difícil saber si las sondas se encuentran en el lugar correcto para ser representativo en todas las condiciones del horno.

  • El tiempo de respuesta. La Instalación de las sondas de zirconia en las zonas de baja temperatura (in sit) resulta en dos situaciones relativas al tiempo de respuesta. El primero es el tiempo de tránsito de los gases de combustión de los quemadores a la ubicación de la sonda. El segundo es el tiempo de respuesta del analizador en sí mismo. Las sondas In-situ (par de sondas cercanas extractivas) confían en la difusión de los gases de combustión a través de un filtro sinterizado para el sensor. En la medida que el elemento de difusión falle, esta difusión se demora, resultando en una lentitud en la respuesta del analizador. Una simple prueba para medir este efecto es aplicar el gas de calibración al analizador (flujos detrás del elemento de difusión), y luego retirar el gas de calibración y ver cuánto tiempo tarda el analizador para volver al nivel del oxígeno de proceso. Las pruebas de campo han demostrado que un elemento de difusión en falla puede agregar minutos a la respuesta del sensor. El tiempo de respuesta es en última instancia, un error de medición, si los analizadores reportan sobre los niveles de oxígeno entre 2-3 minutos pasados ese valor con respecto al actual podría ser significativamente diferentes.
  • Interferencia combustibles. Dado que el elemento de zirconia opera> 700C, cualquier material combustible presente en el sensor se quemará; esto consume oxígeno y resulta en un error de medición, si combustibles están presentes.
  • Ejemplo 1: 4% de 02 en la presencia de 2% de CO 2CO + 02 = 2C02, cada molécula de oxígeno reacciona con las moléculas de CO 2 en la superficie del sensor de zirconia. Como resultado, tanto de la alta temperatura de superficie del sensor y la acción catalítica de la capa de platino, provocan que el analizador de zirconia lea el 3% en lugar del 4% En ambientes como los incineradores ó unidades de combustible pesado, los combustibles de alto peso molecular provocan errores más graves. Una molécula de gas propano, por ejemplo, consume 5 moléculas de oxígeno.
  • Ejemplo 2: (5% de 02 en la presencia de 1% C3H8) C3H8 + 502 = 3C02 + 4H20. Nivel 5% de 02 sería cero.

Análisis de CO. La mejora de la medición de oxígeno con un tiempo casi real, la medición promedio en la sección cruzada puede dar lugar a que operan más cerca del punto de “diseño” ó punto de ajuste. Sin embargo, para operar cerca de la verdad donde 02/CO crucen en tiempo casi real, sensibilidad y una medición representativa de Co deben hacerse en el mismo lugar.

Los requisitos para esta medida son severos:

  • Capaz de medir entre 1200°C – 1300°C
  • El límite de cuantificación <2 ppm
  • Sin interferencia de otros gases de combustión (C02, H20, combustibles, etc)
  • Respuesta rápida

En el pasado, las tecnologías disponibles para esta medida se limitan a los sensores de estado sólido (película densa, cordón catalítico) o la pila en cruz NDIR. Ambas tecnologías tienen limitaciones que no permiten el control de CO de modernos quemadores de bajo NOx:

  • Límites de detección típicos de 20-100 ppm
  • Los límites de temperatura de gas de NDIR 400°C. Este es un problema ya que el CO sigue reaccionando a medida que viaja más lejos de la zona de combustión (hacia la zona de menor temperatura). Con menores niveles de CO en el punto de medición es más difícil de detectar el quiebre de CO de un pequeño número de quemadores.
  • Las interferencias de los gases de combustión.

La nueva tecnología de Diodo Laser Espectroscópico Sintonizable (TDL) ofrece la capacidad de medición del CO a temperaturas> 1 000°C, ofreciendo una respuesta de 5 segundos con una sensibilidad <5 ppm típica.

Las pruebas de campo indican que el uso del TDL para medición de CO “recorta” el punto de ajuste de oxígeno puede resultar en niveles de exceso de oxígeno operativos de ~ 0,2 a 0,9%. Con operaciones típicas, donde los puntos de ajuste en los hornos de hidrocarburos están entre 2,0% al 4,0%, el ahorro de la eficiencia podría ser significativo.

Además, en algunas aplicaciones, también es posible proporcionar una medición de los combustibles con el CO TDL. Este es un aspecto importante en la adición de una capa de seguridad al sistema cuando el funcionamiento está cerca de las condiciones de combustible enriquecido.

Evaluación de la solución

El primer paso debe ser establecer una evaluación de su valor. La información necesaria y los pasos a seguir podrían ser:

  • Determinar el punto de ajuste actual del exceso de oxígeno en los hornos.
  • Establecer un razonamiento para los puntos de ajuste (limitaciones en la reducción de exceso de aire).
  • Tendencia y análisis de las lecturas de oxígeno para establecer las condiciones operativas.
  • Tendencia y análisis de oxígeno CEMS y las lecturas de Co para ayudar a determinar puntos de ajuste alcanzables.
  • Probar los analizadores de zirconia para establecer el tiempo de respuesta.
  • Investigar el sistema de votación actual para los analizadores de zirconia (votación baja, promedio, etc).
  • Determinar el uso actual de combustible y el costo para los hornos.
  • Reunirse con los grupos de diseño de hornos y quemadores para entender el proceso (restricciones) y establecer una ruta hacia delante.
  • Revisión actual del régimen de control del horno y comprender las posibilidades de control y variables del quemador.
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