ES2272229T3 - Procedimiento y mecanismo para la determinacion asi como para el control del exceso de aire en un proceso de combustion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la determinación del exceso de aire (L) en un proceso de combustión, en el que se determinan las velocidades de formación K(CN) y K(CO) de los productos de reacción CN y CO formados en la combustión, caracterizado porque la relación K (CN)/K(CO) de las velocidades de formación determinadas se forma como una variable representativa del exceso de aire (L).
Description
Procedimiento y mecanismo para la determinación
así como para el control del exceso de aire en un proceso de
combustión.
Procedimiento y mecanismo para la determinación
así como para el control del exceso de aire en un proceso de
combustión.
La presente invención se relaciona con un
procedimiento para la determinación del exceso de aire en un proceso
de combustión.
La presente invención se relaciona, además, con
un mecanismo correspondiente para la determinación del exceso de
aire.
Gracias a la EP 0 612 961 A2 se sabe determinar
las velocidades de formación de los productos de reacción formados
durante un proceso de combustión, particularmente las moléculas y
radicales CO, C_{2}, CH, CN, OH, y NH, mediante espectroscopia de
emisión de la radiación característica de la llama de combustión y
para consultar el control o regulación del proceso de combustión.
Para ello se estudia con un espectrómetro de emisión el espectro de
radiación de la llama de combustión, detectándose la radiación de
bandas de las moléculas y radicales seleccionados. La radiación de
bandas se superpone a una radiación térmica, que se determina por
pirometría de relación en uno o varios intervalos de longitud de
onda libres de bandas y se tiene en cuenta en la determinación de
las velocidades de formación.
Las velocidades de formación determinadas de los
productos de reacción seleccionados son sólo condicionalmente
apropiadas para el control o regulación del proceso de combustión,
pues son afectadas, entre otros, por la variable y posición de la
sección observada de la llama de combustión así como por la
frecuencia de reacción controlada por la masa de los combustibles
introducidos.
Una medida sustancial para la calidad de una
combustión es el exceso de aire. Este designa la relación
aire/combustible, que es una, si se introduce exactamente tanto
aire y/u oxígeno, como sea necesario para el proceso de combustión.
Un exceso de aire menor que uno, o sea una alimentación de aire
demasiado escasa, conduce a una combustión incompleta, mientras que
un exceso de aire mayor que uno, y/o demasiado aire inyectado,
conduce, entre otros, a una concentración del proceso de combustión
en la boquilla del quemador con, como consecuencia, mayores
temperaturas de combustión. Además, la inyección y calentamiento de
mayores concentraciones de aire se relaciona con las pérdidas
correspondientes de energía.
Hasta ahora podía determinarse el exceso de aire
sólo a través de mediciones de la cantidad de combustible y de aire
introducida en el proceso de combustión, siendo muy aparatosa e
inexacta la medida exacta de la cantidad de combustible,
particularmente en el caso del carbón. Una resolución local del
exceso de aire dentro de la llama de combustión y frecuentemente
también una distribución de las concentraciones de combustible
sobre diferentes quemadores eran posibles sólo a través de
consideraciones teóricas, aunque no mediante mediciones.
Correspondientemente, hasta ahora sólo era posible una regulación
del proceso de combustión condicionalmente específica del quemador
y, por otra parte, lenta.
La presente invención se basa, por tanto, en el
objetivo de posibilitar una determinación del exceso de aire en un
proceso de combustión lo más rápida, sencilla y localmente resuelta
posible y regular posteriormente con ella el proceso de
combustión.
El objetivo se resuelve conforme a la invención
con el procedimiento indicado en la Reivindicación 1 y/o el
mecanismo indicado en la Reivindicación 5.
De las subreivindicaciones 2, 3 y 4 y/o 6, 7 y 8
se extraen formaciones beneficiosas de los procedimientos y
mecanismos conformes a la invención.
La invención se basa en el conocimiento de que
un exceso decreciente de aire debido a la combustión incompleta
conduce a una elevada formación de CO, mientras que un exceso
creciente de aire debido a la elevada temperatura de combustión
conduce a una elevada formación de CN. El aire inyectado en exceso
puede contribuir al enfriamiento sólo en el caso de un exceso
claramente excesivo de aire y reducir con ello de nuevo la formación
de CN. La relación de las velocidades de formación de CN y CO
forma, por consiguiente, en el ambiente del valor del exceso de
aire, si una gran parte del aire contribuye a la combustión, una
medida apropiada, para determinar el exceso de aire y
posteriormente regular con ello el proceso de combustión,
particularmente el aire introducido y/o su distribución. Mediante
la formación de la relación de las velocidades de formación de CN y
CO se eliminan además los factores influyentes citados
anteriormente y que perjudican a la determinación de las velocidades
de formación, como por ejemplo la variable y posición de la sección
de la llama de combustión observada, ya que afectan igualmente a
las velocidades de formación de CN y CO.
La determinación de las velocidades de formación
de CN y CO puede realizarse de manera conocida mediante
espectroscopía de emisión. Se prefiere determinan las velocidades
de formación de CN y CO a partir de las intensidades de radiación
con por lo menos cuatro cámaras, en por lo menos cuatro intervalos
diferentes de longitudes de onda del espectro de radiación de la
llama de combustión, donde se determinan, en dos intervalos de
longitud de onda, las intensidades de radiación durante la
formación de CN y CO y se resta de estas intensidades de radiación
determinadas la radiación térmica determinada por pirometría de
relación a partir de las intensidades de radiación determinadas en
los otros dos intervalos de longitud de onda. Como cada una de las
cámaras comprende sólo un intervalo de ondas de banda estrecha del
espectro de radiación de la llama de combustión, puede determinarse
el exceso de aire con alta resolución local y rápidamente en la
práctica, a diferencia de los espectrómetros, que presentan una
alta resolución de frecuencia aunque baja resolución local; y, por
tanto, emplearse como variable de control apropiada para la
regulación del exceso de aire en el proceso de combustión.
Para la especificación adicional de la invención
se hace referencia a continuación a las Figuras del diseño;
muestran individualmente
Figura 1 un ejemplo del mecanismo conforme a la
invención para la determinación y posterior regulación del exceso
de aire en un proceso de combustión,
Figura 2 un ejemplo del espectro de radiación de
una llama de combustión en un punto de observación,
Figura 3 Ejemplarmente, la dependencia de la
formación de CN y CO así como su relación del exceso de aire en un
proceso de combustión y
Figura 4 otro ejemplo de mecanismo conforme a la
invención para la determinación del exceso de aire en un proceso de
combustión.
En una cámara de fuego o de combustión 1 de una
instalación de generación de vapor no representada, por ejemplo un
generador de vapor por quema de combustibles fósiles de una central
térmica o una planta incineradora de residuos, se lleva a cabo un
proceso de combustión. Los sensores ópticos 2 y 3 en forma de
cámaras especiales registran en puntos o secciones de observación
seleccionados el espectro de radiación de la llama de combustión 4.
Las informaciones 5 obtenidas en este caso se introducen en un
dispositivo de procesamiento de datos 6, que evalúa a partir de los
espectros de radiación registrados, por ejemplo mediante
reconstrucción tomográfica computerizada, una distribución espacial
de la temperatura y perfiles tridimensionales localmente resueltos
de las velocidades de formación K de productos de reacción
seleccionados, resultantes del proceso de combustión. En este caso
se determinan la temperatura mediante pirometría de relación y las
velocidades de formación K de los productos de reacción mediante
espectroscopía de emisión. Las velocidades de formación K así
determinadas se introducen, además de otras variables de de mando y
de regulación 8, en un dispositivo de control y regulación 9, que
gobierna y/o regula la alimentación y distribución de combustible
10, la alimentación y distribución de aire 11, así como la
alimentación y distribución 12 de agregados y materiales auxiliares,
para el proceso de combustión.
Las velocidades de formación K(CN) y
K(CO) del radical CN y de la molécula CO, relevantes para la
invención, se introducen, tras su determinación en el dispositivo
6, en un dispositivo 13, que forma la relación
K(CN)/K(CO) de ambos productos de reacción y se
alimenta como variable de control de un regulador 14 para la
alimentación y distribución de
aire.
aire.
La Figura 2 muestra un ejemplo del espectro de
radiación de una llama de combustión 4 en un punto de observación,
aplicándose la intensidad de radiación I a través de la longitud de
onda \lambda. La intensidad de radiación I se compone
esencialmente de la radiación térmica TS (radiación Planck) y la
radiación de banda BS (quimioluminiscencia) emitida por
determinadas transiciones de radicales. Los picos de intensidad
característicos para determinados productos de reacción, por
ejemplo CH, se caracterizan aquí, interesando en el contexto de la
invención las intensidades de la radiación de bandas BS resultante
en la formación de CN a aproximadamente 420 nm y de CO a
aproximadamente 450 nm. El aporte térmico TS de las intensidades de
radiación I medido para estos productos de reacción puede
calcularse y sustraerse a temperatura conocida. Para ello se
determina la radiación térmica TS por pirometría de relación a
partir de longitudes de onda \lambda, en las que no aparece
ninguna transición de radicales; los correspondientes intervalos de
longitud de onda libres de bandas se encuentran, por regla general,
en el rango rojo o infrarojo.
La Figura 3 muestra ejemplarmente la dependencia
de la formación de CN y de CO del exceso de aire L en el proceso de
combustión. Un exceso de aire L menor que uno conduce a una
combustión incompleta, lo que se relaciona con una mayor formación
de CO. Demasiado aire inyectado conlleva, en cambio, una
concentración del proceso de combustión en la boquilla del quemador
con, como consecuencia, mayores temperaturas de combustión y, por
tanto, mayor formación de CN. Si se inyecta aire en exceso en
elevada cantidad, esto puede contribuir de nuevo al enfriamiento y,
de esta forma, reducir la formación de CN. Como muestra la Figura 3,
la relación K(CN)/
K(CO) de las velocidades de formación de CN y CO determinadas supone una medida apropiada en el campo de regulación R en torno al valor del exceso de aire L=1, para determinar el exceso local de aire L y para regular el proceso de combustión, aquí particularmente la alimentación y distribución de aire 11.
K(CO) de las velocidades de formación de CN y CO determinadas supone una medida apropiada en el campo de regulación R en torno al valor del exceso de aire L=1, para determinar el exceso local de aire L y para regular el proceso de combustión, aquí particularmente la alimentación y distribución de aire 11.
En el ejemplo de ejecución del mecanismo
conforme a la invención, mostrado en Figura 4, se representa uno y
el mismo punto o sección de observación de la llama de combustión 4
en la cámara de fuego o de combustión 1 sobre cuatro cámaras CCD
15, 16, 17 y 18, que, debido al filtro de banda estrecha situado
corriente arriba 19, 20, 21 y 22, registran las intensidades de
radiación I en cuatro intervalos diferentes de longitud de onda del
espectro de radiación de la llama de combustión 4. A partir de dos
de las intensidades de radiación I registradas, localizadas
preferentemente en intervalos de longitud de onda libres de bandas,
se determina la radiación térmica TS por pirometría de relación en
el dispositivo 6 corriente debajo de las cámaras CCD 15, 16, 17 y
18. Las otras dos intensidades de radiación se emplean para la
determinación de las radiaciones de banda BS emitidas durante la
formación de CN y CO en los intervalos de longitud de onda de
aproximadamente 420 nm y/o en torno a 450 nm. Para ello se resta de
estas intensidades de radiación I determinadas para CN y CO la
proporción de radiación térmica TS, de forma que se obtengan las
respectivas radiaciones de banda BS y, por tanto, las velocidades
de formación K(CN) y
K(CO), a partir de las que se forma en el dispositivo 13 la relación K(CN)/K(CO) representativa del exceso de aire L.
K(CO), a partir de las que se forma en el dispositivo 13 la relación K(CN)/K(CO) representativa del exceso de aire L.
Claims (8)
1. Procedimiento para la determinación del
exceso de aire (L) en un proceso de combustión, en el que se
determinan las velocidades de formación K(CN) y K(CO)
de los productos de reacción CN y CO formados en la combustión,
caracterizado porque la relación K (CN)/K(CO) de las
velocidades de formación determinadas se forma como una variable
representativa del exceso de aire (L).
2. Procedimiento acorde a la Reivindicación 1,
caracterizado porque la variable representada por la relación
K(CN)/K(CO) de las velocidades de formación
determinadas se forma como variable de control para un controlador
(14).
3. Procedimiento acorde a una de las anteriores
Reivindicaciones, caracterizado porque las velocidades de
formación K(CN) y K(CO) se determinan mediante
espectroscopía de emisión de la radiación característica de la
llama de combustión (4).
4. Procedimiento según al menos una de las
Reivindicaciones 1-2, caracterizado porque
las velocidades de formación K(CN) y K(CO) se
determinan a partir de las intensidades de radiación (I) en por lo
menos cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del
espectro de radiación de la llama de combustión (4), donde las
intensidades de radiación (I) se determinan durante la formación de
CN y CO en dos intervalos de longitud de onda y se resta de estas
intensidades de radiación determinadas (I) la radiación térmica (TS)
determinada a partir de las intensidades de radiación (I)
determinadas en los otros dos intervalos de longitud de onda según
la pirometría de
relación.
relación.
5. Mecanismo para la determinación del exceso de
aire (L) en un proceso de combustión con un dispositivo (2, 3, 6)
para la determinación de las velocidades de formación K(CN) y
K(CO) de los productos de reacción CN y CO formados en la
combustión caracterizado porque se prevé un dispositivo
corriente abajo (13) para la formación de la relación
K(CN)/K(CO) de las velocidades de formación
determinadas como una variable representativa del exceso de aire
(L).
6. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5,
caracterizado porque el dispositivo corriente abajo (13) está
conectado a un controlador (14).
7. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5 - 6,
caracterizado porque el dispositivo (2, 3, 6) para la
determinación de las velocidades de formación K(CN) y K (CO)
comprende un espectrómetro de emisión.
8. Mecanismo acorde a la Reivindicación 5 - 6,
caracterizado porque el dispositivo (15, 16, 17, 18, 6) para
la determinación de las velocidades de formación K(CN) y
K(CO) presenta por lo menos cuatro cámaras (15, 16, 17, 18),
que registran las intensidades de radiación (I) en por lo menos
cuatro intervalos diferentes de longitudes de onda del espectro de
radiación de la llama de combustión (4), y porque se dispone un
dispositivo (6) corriente debajo de las cámaras (15, 16, 17, 18),
que determina en dos de los intervalos de longitud de onda las
intensidades de radiación (I) en la formación de CN y CO y resta de
estas intensidades de radiación determinadas (I) la radiación
térmica (TS) calculada por pirometría de relación de las
intensidades de radiación (I) determinadas en los otros dos
intervalos de longitud de onda.
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