Compreendendo a medição de oxigênio em fluxos de gás de combustão

Observar a quantidade total de O2 no fluxo de gás pode ser enganoso porque a quantidade estequiométrica de excesso de O2 é a medição mais importante.

Processos de combustão automatizados estão ao nosso redor, desde eletrodomésticos e sistemas HVAC até grandes caldeiras industriais, aquecedores acionados e usinas de energia. Apesar de todas as diferenças de escala e finalidade, o elemento comum que todos tentam alcançar é a alta eficiência por meio do controle eficaz da combustão. O custo do combustível é um fator importante e, portanto, a ênfase na eficiência, mas as considerações de segurança e emissões também são importantes, principalmente as últimas para aplicações industriais. O tipo de combustão discutido neste artigo é uma reação química entre o combustível e o oxigênio (O2) e, portanto, está sujeito a fatores estequiométricos básicos. O número correto de moléculas de O2 deve estar disponível para reagir com o número correspondente de moléculas de combustível. Na prática, a maioria dos combustores usa ar atmosférico, com fluxo de ar medido para controlar o suprimento de O2. O desequilíbrio do fluxo de ar em qualquer direção é problemático. Se houver ar insuficiente (abaixo do requisito estequiométrico ou combustão rica em combustível), o combustível não queimado sai da chaminé. Isso desperdiça combustível, cria emissões e poluentes atmosféricos perigosos. Também cria um possível problema de segurança caso combustível suficiente se misture subsequentemente com O2 e se incendeie. Para complicar ainda mais as coisas, no mundo real, a combustão raramente é cem por cento completa. Normalmente, há alguma quantidade de combustível não queimado no gás de combustão, embora vestígios não tenham um efeito material nos níveis de O2 total versus excesso. No entanto, níveis significativos de combustível não queimado são prováveis ​​em algum momento da vida operacional de uma instalação e são mais comuns do que se imagina. Isso é inevitável mesmo nos queimadores mais eficientes. Mais sobre o que isso significa em um momento. Se houver muito ar (acima do requisito estequiométrico, resultando em combustão pobre em combustível), a eficiência é reduzida devido ao desperdício de energia aquecendo o volume desnecessário de ar. Isso é inevitável até certo ponto, já que aproximadamente 80% do ar é nitrogênio, mas o excesso de ar é menos problemático para a eficiência e mais seguro para a operação, embora as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) possam aumentar com o aumento do excesso de ar. Para a maioria dos combustores existe um excesso de ar ideal para alcançar uma boa combustão, baixas emissões e alta eficiência. Excesso de ar e excesso de combustível reduzem a eficiência, mas o excesso de ar não reduz a eficiência tanto quanto o mesmo volume de excesso de combustível.

Qualquer pessoa que tenha trabalhado com um fogão ou aquecedor a gás antigo pode ver o processo de mistura funcionando ajustando a entrada de ar do queimador para obter uma chama perfeitamente azul. Mas surge a pergunta: qual é a maneira mais prática de otimizar a combustão em larga escala para segurança, eficiência e emissões? A resposta mais comum é medir e controlar a quantidade de O2 restante na exaustão dos gases de combustão, mas o que é ideal? Como acabamos de mencionar, a combustão muitas vezes não é perfeitamente completa, então algum combustível não queimado e O2 saem da chaminé, mesmo que a mistura de ar e combustível entrando no queimador esteja correta. A área de preocupação é a quantidade de O2 em excesso do que é necessário para queimar a quantidade de combustível, mas olhar para o conteúdo total de O2 no fluxo de gás de combustão pode ser enganoso se os operadores não entenderem completamente o que a medição representa. O desafio é determinar quanto de O2 no gás de combustão está em excesso da quantidade estequiométrica. Os operadores normalmente querem uma quantidade de excesso de O2 porque é indesejável reduzir o fluxo de ar abaixo da quantidade estequiométrica (Figura 1), mas a quantidade exata depende do combustível e do sistema de combustão. Errar com pouco combustível na maioria das situações é mais desejável do que correr com combustível rico.

Para instalações industriais, existe uma ampla gama de estratégias de controle. No mínimo, haverá um instrumento monitorando o fluxo de combustível. O fluxo de ar será medido, ou pelo menos controlado, para corresponder ao fluxo de combustível. Esse tipo de esquema pode ser implementado usando alguma fórmula (volume de ar por unidade de combustível) para um cálculo aproximado, mas a variabilidade na demanda de oxigênio de diferentes fontes de combustível e a precisão das medições de combustível e fluxo de ar resultam na necessidade de monitorar o real O conteúdo de O2 do gás de combustão também. Existem duas técnicas comumente aplicadas para medição de O2 de gás de combustão: um analisador de laser de diodo ajustável (TDL) e um analisador de sensor de zircônia. Um analisador TDL usa dois componentes sensores (Figura 2), uma fonte de laser e um detector.