Análisis de gases para optimizar la combustión

La combustión se define como el conjunto de procesos físico-químicos en los que un elemento combustible se combina con otro elemento comburente, dando lugar al desprendimiento de luz, calor y otros productos químicos resultantes de la oxidación. Siendo entonces, los componentes esenciales de la combustión: el combustible, el oxígeno y el calor. Idealmente, se requiere proveer la cantidad justa de aire para quemar el combustible por completo, sin embargo resulta difícil por la falta de precisión en las mezclas de aire y combustible, el rendimiento y desgaste de los quemadores, cambios en el ambiente, en las operaciones, etc. Es conveniente controlar con rigor todos los procesos de combustión, sobre todo aquellos en los que las mejoras en el control y monitoreo de la eficiencia se reflejan en ahorros para la empresa, por lo tanto los factores que particularmente son esenciales en la optimización de la combustión son:

• La composición del combustible y el aire de combustión (zona en la que se puede hablar del análisis de gases).
• El comportamiento de inflamación y la temperatura de combustión.
• El diseño del quemador y de la cámara de combustión.
• La relación combustible/aire de combustión (análisis de gases).

Gráfica 1. Constituyentes de los gases de combustión, Academia Testo.

La relación óptima de combustible y cantidad de aire de combustión (coeficiente de exceso de aire λ) para una instalación y un combustible específicos, se puede determinar a partir de las lecturas del análisis de gases utilizando el diagrama de combustión. Los perfiles de concentración de los componentes del gas CO, CO2 y O2 se muestran como función del coeficiente de exceso de aire. La línea de combustión ideal con 0 exceso de aire (λ =1) está en el centro del gráfico, a su derecha el volumen de exceso de aire aumenta y a su izquierda aumenta el rango de insuficiencia de aire, es decir que a falta de aire el oxígeno también será insuficiente. En la Gráfica 1 se puede observar lo siguiente:

En la zona a la izquierda…

•     Falta de aire significa que hay presencia de CO, ya que falta oxígeno para oxidar totalmente el CO a CO2. Este CO que está presente cuando hay falta de aire resulta muy peligroso cuando sale de la instalación debido a su nivel de toxicidad.

•     A medida que disminuye la insuficiencia de aire, es decir, aumenta la concentración de O2, el volumen de CO desciende como consecuencia de la oxidación para formar CO2 y el volumen de CO2 aumenta en la misma proporción. Este proceso se completa a λ=1 o ligeramente por encima de éste, el CO es casi cero y el CO2 alcanza su valor máximo.

•     El oxígeno no está presente en este rango, o no es medible, ya que todo oxígeno adicional se usa inmediatamente para oxidar el CO.

En la zona a la derecha…

•     En el rango λ>1 el volumen de O2 aumenta, ya que el oxígeno añadido a medida que aumenta la insuficiencia de aire ya no se utiliza para la oxidación debido a la ausencia de CO. En la práctica, sin embargo, siempre se requiere una cierta cantidad de exceso de aire para garantizar la combustión completa, ya que la distribución del oxígeno en la cámara de combustión no es uniforme. El tamaño de partícula del combustible también es significativo, cuando menores son las partículas, mayor es el contacto con el oxígeno y menor es la cantidad de exceso de aire que se requiere.

•     El CO2 baja de su valor más elevado a λ=1, aunque no como resultado de una reacción química, sino como un efecto de dilución debido al incremento de la cantidad de aire de combustión  contribuyendo también a que no haya CO2.

La combustión óptima se consigue si hay exceso de aire suficiente, y por consiguiente de oxígeno, para quemar todo el CO (rango de λ = desde 1,0 a aprox. 1,3) pero, al mismo tiempo hay un límite bajo de la cantidad de exceso de aire para que sea  la menor cantidad de gases de combustión calientes posibles, y por consiguiente de energía calorífica y se pierdan a la atmósfera como resultado de cantidades innecesariamente altas de exceso de aire. El rango óptimo de λ para una instalación de combustión por lo que respecta a la energía, depende de los datos específicos de esta, se puede determinar midiendo el CO2 y el CO, el CO2 por sí solo es ambiguo ya que el perfil de su curva se extiende más allá de su límite máximo o midiendo solamente el O2.

Entonces, para asegurar que el combustible es quemado y que no se escapa en los gases de combustión se debe tener un exceso de aire que no sea mayor al requerido, midiendo el excedente de oxígeno en el gas de combustión, por otra parte se verifica que la cantidad de monóxido de carbono en el gas  de combustión este minimizada midiendo los combustibles no quemados. La pérdida de calor es la principal perdida de energía y es imposible de eliminar por que los productos de este proceso son calentados por el mismo, sin embargo sí logran minimizarse reduciendo la cantidad de exceso de aire en el quemador. Los quemadores no deben operarse  con deficiencias de aire, ya que no se quemara todo el combustible y la cantidad de CO y H2  en los gases de combustión se incrementará.

Un analizador de oxigeno es el instrumento perfecto  para controlar la cantidad de exceso de aire y perdida de calor. Para mantener altos los niveles de eficiencia de combustión, el oxígeno  y los combustibles deben medirse, los  analizadores de gases de combustión testo permiten que estas mediciones sean realizadas asegurando una operación eficiente de las calderas, los instrumentos que le permitirán realizar un análisis  de gases para optimizar la combustión son:

• Analizador de gases  testo 340 con ampliación del rango, tiene mediciones ilimitadas en elevadas concentraciones de gas; equipado con sensor O2, el usuario puede configurarlo con tres sensores más, ya sea CO, CO bajo, NO, NO bajo, NO2 o SO2. Ideal para calderas, hornos industriales, motores fijos industriales y turbinas de gas.
• Analizador de gases  testo 350  para mediciones de larga duración, funcional sobre todo en la industria cementera, vidriera y ambientalista;  equipado con celda de O2 y lugar para cinco adicionales, ya se CO, CO bajo, NO, No bajo, NO2, SO2, CxHy, H2S, CO2 IR (medición directa) y NOX.
• Analizador de gases  testo 320  con pantalla de alta resolución para presentación gráfica de las mediciones, monitorea valores límites para trabajos de mantenimiento en sistemas de calefacción, dos sensores de medición O2 y CO, cálculo de CO2, rendimiento y pérdidas de la chimenea, además de medición de tiro y presión diferencial.

Los  analizadores de gases de combustión testo son instrumentos para las mediciones en emisiones industriales, para el mantenimiento y las reparaciones en hornos y calderas industriales, para la inspección y ajuste en motores fijos industriales, para las mediciones en turbinas y además  son auxiliares para el cumplimiento de la NOM-085-ECOL, equipos robustos e inteligentes para la optimización de los procesos de combustión, evite perdidas, mantenga los procesos de combustión bajo control.