anal is adores gases

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AUTOMAO / Instrumentao27/01/2009 12:50:13

Analisadores de gasesNa edio anterior fizemos uma abordagem sobre a composio dos gases da combusto e suas definies; excesso de ar e algumas dicas para melhorar a eficincia da combusto. Nesta edio, enfocaremos principalmente os analisadores de gases.Reginaldo de Mattos Onofre

Os custos da gerao de vapor esto ligados eficincia da combusto. Esta, portanto, deve ser monitorada constantemente com instrumentos precisos e prticos mantendo os valores das variveis dentro dos parmetros pr-estabelecidos ou ainda melhorando-os. Gases de combusto e seu controle pelas medies O controle da combusto, da relao ar/combustvel, velocidades e quantidade da mistura gasosa pode ser feito por instrumentos que medem basicamente: - teor de dixido de carbono nos gases (C02); - teor de oxignio nos gases (02); - teor de monxido de carbono nos gases (C0); - temperatura dos gases; - presses de depresses. A determinao dos teores de C02, 02 e C0 nos gases pode ser feita utilizando aparelhos como: analisadores por absoro qumica, analisadores contnuos (com sensores paramagnticos ou de zircnia para 02 e por radiao infravermelho para C02) cromatgrafos, analisadores eletroqumicos e outros. Todos os instrumentos mencionados processam amostras de gases secos (depois de eliminada praticamente toda a gua presente), motivo pelo qual os teores assim determinados se denominam em base seca. Analisadores por absoro qumica O mtodo mais antigo para determinao de gases o ORSAT. Com os aparelhos de ORSAT, assim denominados pois possuem reagentes qumicos que absorvem o gs a ser determinado, possvel analisar C02, 02 e C0 por absoro qumica e H2, N2, CH4 e outros hidrocarbonetos por diferena. A operao de um aparelho ORSAT requer pessoal com razovel especializao. Esse conjunto de medio est cada vez mais restrito ao uso em laboratrios, devido ao tempo muito grande que exige uma amostragem e dos cuidados excessivos necessrios para uma enorme quantidade de reagente absorvente empregada, o que tornam mais caras as medies. Para uso no campo, o tcnico necessita de anlises mais rpidas e prticas, como as feitas em analisadores portteis. Analisadores de gs por absoro qumica portteis Empregam mesmo princpio do ORSAT, porm propicia fcil manuseio e respostas imediatas de medio com preciso de 0,5 % em volume de gs mensurado. O analisador de gs TESTORYT realiza medies de C02 e 02.O conjunto de medies compreende um dispositivo que coleta os gases na chamin, que se destina a resfriar o gs, condensando a amostra gasosa antes de ser analisada. Os reagentes qumicos vo se saturando medida que vo sendo realizadas as medies, e o fluido tem durabilidade para aproximadamente 300 medies para C02 e entre 80 e l00 medies para 02. O analisador TESTORYT um instrumento padro bsico de combusto, inclusive muito prtico para averiguar possveis desvios de medio em analisadores contnuos instalados on-line ou analisadores eletrnicos.

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Analisadores eletrnicos - Sensores eletrnicos Com o avano da eletroqumica moderna e da tecnologia eletrnica, esto disponveis hoje no mercado mundial os analisadores com sensores eletroqumicos para medio de um ou mais gases ao mesmo tempo. O grande mrito destes analisadores est, principalmente, no seu sistema misto de microcomputador e analisador de gs. Enquanto analisa os gases, calcula o teor de C02, perdas de calor sensvel, eficincia da queima, temperaturas e excessos de ar empregado conforme as medies do teor de oxignio. Os analisadores dispem de programas para controle energtico (eficincia, excessos de ar, etc.) alm de um especfico para o controle de emisses gasosas com CO, SO2, NOx, calculando resultados j em mg/m3 ou em mg/percentagem de gs medido. Estes analisadores tm as seguintes caractersticas: Possuem sistema de proteo de clula; Programa para vrios tipos de combustveis; Memria e transmisso de dados via RS-232 ou infravermelho; Programa de erros de medio; Medio de CO sem cruzar a sensibilidade ao hidrognio; Grande durabilidade dos sensores (aproximadamente trs anos). Analisadores contnuos de gs Existem analisadores contnuos para a quase totalidade dos gases a serem estudados em uma amostra gasosa (tabela 1). Alguns analisam mais de um composto em um mesmo mdulo. A indicao analgica ou digital e, opcionalmente, podem-se acoplar registrados, sistema de controle de malha de combusto, alarme, etc. So encontrados analisadores contnuos com diferentes princpios de medio com preciso que funo da resoluo e da calibrao, que feita periodicamente pelos usurios. Dificilmente encontramos no Brasil um analisador contnuo devidamente regulado e que sofre manuteno constante. Em geral, os analisadores contnuos existentes so de pouca confiabilidade devido a esse fato. Tabela 1 Princpio de deteco dos gases analisados. PRINCPIO DE DETECO GASES ANALISADOS Infravermelho Paramagntico Zircnio Quiluminescncia Eletroqumico CO2 , CO , CH2 , SO2 , NO O2 O2 NO / NO2 , SO3 / H2 SO4 O2 ,CO , SO2 , NO , NO2 CxHx

Um conjunto completo para anlise contnua de gases on line compreende: sonda (inserida no ponto de amostragem), tubo coletor (ligao sonda-analisador), perifricos eventualmente necessrios para secagem, limpeza e resfriamento da amostra e, finalmente, o analisador. Analisadores contnuos podem monitorar o controle da malha de combusto, ajustando continuamente o ar de combusto conforme as cargas solicitadas pela caldeira ou forno. Porm, nem toda instalao de queima justifica sua aquisio devido aos altos custos de implantao e manuteno, pois eles precisam periodicamente de calibrao, manuteno, e limpeza de seus sistemas de amostragem. Necessariamente, o usurio deve possuir pessoal qualificado em seu Departamento de Instrumentao. Tradicionalmente, no Brasil se utilizam os analisadores de O2 com sensores de xido de zircnia ou paramagnticos. O significado da anlise dos gases Atravs da medio de CO2 e do O2 e conhecendo o CO2 mximo (tabela 2) estequiomtrico do combustvel, possvel determinar o excesso de ar empregado na combusto:


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Tabela 2 Valores de CO2 mximo. COMBUSTVEL LEOS PESADOS LEOS LEVES GS NATURAL GS DE NAFTA LENHA BAGAO DE CANA

CO2 MXIMO em % 15,8 15,5 12,1 13,8 20,1 19,8

NOTA: Estes valores podem sofrer algumas variaes em funo da composio do combustvel. Em instalaes de queima a leo recomenda-se checar o CO2 com a medio de O2 e da fuligem. Em instalaes de queima a gs, com a medio de O2 (oxignio) e, principalmente, o CO ou CO + hidrocarbonatos. Em instalaes de queima lenha/bagao, verifique o teor de O2 e a umidade do material. Observe o quadro 1 e a tabela 3. Quadro 1 Excesso de ar. QUANTO MAIOR O CO2, MENOR O EXCESSO DE AR QUANTO MENOR O CO2, MAIOR O EXCESSO DE AR QUANTO MAIOR O O2, MAIOR O EXCESSO DE AR QUANTO MENOR O O2, MENOR O EXCESSO DE AR

Tabela 3 Faixa de ajuste de CO2. COMBUSTVEL LEOS PESADOS LEOS LEVES GS NATURAL GS DE NAFTA LENHA BAGAO DE CANA

FAIXA DE AJUSTE DE CO2 11,5 a 14,5 % 11,0 a 13,5% 9,0 a 11,0 % 10,0 a 12,0 % 12,0 a 17,0 % 12,0 a 17,0 %

Somente a medio de CO2 pode oferecer uma base errnea para clculos do excesso de ar O grfico da figura 1, ilustra o motivo pelo qual bem prtica a medio de oxignio adicional a medio de CO2. Nota-se que a mesma leitura de CO2 pode ser obtida com menos ar como para mais ar. Figura 1 Leitura de CO2.

CO2 sozinho no pode definir o excesso de ar Pode-se chegar ao valor de CO2 conhecendo-se o O2 pela seguinte frmula:


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Interpretao das medies de CO2 Um baixo teor de CO2 nos gases, pode ocorrer devido a: -Tiragem excessiva -Excesso de ar na queima -Entrada de ar falso na fornalha -Atomizao / mistura imperfeita entre ar / combustvel. Temperatura dos gases na base da chamin Quanto maior for a temperatura dos gases, maior ser as perdas de calor sensvel pela chamin. Em caldeiras flamotubulares a temperatura deve situar-se em torno de 200 a 250 porm, isto nem C, sempre possvel em muitos processos. Neste caso, procura-se recuperar essa forma de energia aquecendo-se a gua de alimentao de caldeiras, ou pr-aquecendo o ar de combusto. A temperatura de sada dos gases para queima de leos deve ser superior ao ponto de orvalho do enxofre, para no haver condensao excessiva e corroso nas partes mais frias da caldeira. Inmeras causas esto ligadas temperatura excessiva dos gases na base da chamin, sendo que a principal delas o excesso de ar na queima. A temperatura dos gases aumenta demasiadamente quando: os tubos esto sujos de fuligem; a fornalha inadequada ou curta; o queimador opera em marcha forada; o excesso de ar empregado muito alto; a superfcie de aquecimento foi reduzida; o consumo de combustvel superior ao normal; a parte refratria traseira da caldeira est danificada; tiragem excessiva, puxando os gases com maior velocidade; os tubos esto com muita incrustao em sua superfcie do lado gua, sedimentos ou lama. Fuligem nos gases Entende-se por fuligem as partculas de carbono incombusto do leo combustvel (figura 2). O mtodo mais empregado para se verificar a qualidade da mistura utilizando uma bomba de amostragens SMOKE TEST. O teste de fumaa, baseia-se em detectar uma amostra gasosa e fazer sua comparao com uma escala padro. Figura 2 Emisso de fuligem pela chamin.

A escala de comparao do ndice de fuligem (figura 3) possui 10 manchas de opacidade, indo do branco (excesso de ar) ao negro (falta de ar). Estas manchas correspondem ao nvel de emisso desses particulados pela chamin. Este mtodo desenvolvido pela SHEL-BACHARACH nos EUA padronizado pelas normas ASTM e DIN para controle da combusto em queimadores leo leve, pesado ou carves. Figura 3 Escala de comparao.


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Escala de comparao de fuligem 0 = Mximo (excesso de ar) l = Excelente (deve ser mantido) 2 = Bom (pouca emisso de particulado) 3 = Regular (pouca fuligem, mas pode melhorar) 4 = Ruim (condio de mxima operao, j entra no campo visual) 5 = Insatisfatrio (procure melhorar) 6 = Insatisfatrio (pode cair na densidade 20 % da escala RIGELMANN) 7 = Insatisfatrio (admite-se at 3 minutos para cmaras frias) 8 = Insatisfatrio (desligue o queimador) 9 = Insatisfatrio (desligue o queimador e recomece novamente) A fuligem no deve ultrapassar ao nmero 4 da escala. Acima deste, haver um depsito excessivo sobre as superfcies de troca, dificultando a transmisso de calor, alm de aumentar a poluio do ar. Um depsito de 1/8 de espessura de fuligem sobre os tubos pode aumentar o consumo de combustvel em at 9 % (figura 4). Figura 4 Efeito da fuligem no consumo de leo.

Interpretao das medies de fuligem O ndice de fuligem indica rapidamente a qualidade da queima. A escala de comparao um guia para mostrar a qualidade mxima de fumaa, que pode variar para cada tipo de queimador para uma combusto limpa. O ideal manter o nvel mnimo de emisses, no importa se o teor de CO2 mximo que possa atingir seja apenas 7 ou 9 %. Na maioria das instalaes de queima a leo de alto rendimento, deve-se procurar instalar filtros para os gases. Sobre este aspecto h, portanto, um paradoxo: Instalaes de alto rendimento requerem baixos excessos de ar, por isso muitas vezes no conseguem escapar dos altos ndices de emisses de slidos. Emisses elevadas representam perdas de combustvel no queimado. Quando comentamos sobre o efeito e causas do excesso de fuligem, deve-se antes estudar detalhadamente cada sistema de queima e seu projeto, da armazenagem do combustvel at o bico do


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queimador e deste at o alto da chamin. O excesso de fuligem na atmosfera, alm dos prejuzos causados ao meio ambiente, aumenta os custos de manuteno e deteriorao das superfcies de troca de calor. Fuligem excessiva nos gases pode ter como causas: a. Modificao da relao ar / combustvel - Aumento do consumo de combustvel sem aumento do ar; - Diminuio do ar insuflado, ficando constante o combustvel. b. Diminuio da tiragem por: - M ventilao na sala de caldeiras; - Diminuio da temperatura exterior; - Entradas secundrias de ar na chamin. c. Pulverizao Defeituosa - gua no leo; - fagulhamento na chama; - viscosidade inadequada do leo; - presso inadequada do leo / ar; - obstruo de dutos e filtros de leo; - problemas no sistema de bombeamento de leo; - bico do queimador sujo, danificado ou carbonizado. d. Mistura defeituosa do leo com ar - defeito no sistema de ar primrio; - presses insuficientes ou excessivas; - estabilizador de chama mal colocado; - m distribuio do leo pelo queimador; - refratrios danificados (bocal do queimador); e. Controle inadequado da viscosidade do leo - leo polimerizando antes da queima (aps bico); - temperaturas de aquecimentos incompatveis com os ndices de escoamento (viscosidade) do bico do queimador. Ou ainda: - Chamin entupida; - falta de ar no sistema; - gua e impurezas no leo - presso excessiva de leo; - correias do ventilador bambas; - formao excessiva de coque na fornalha; - quantidade de aditivos no leo muito elevadas; - depsitos sujos de fuligem, tubos, fornalhas, dutos; - rotor do ventilador sujo, desbalanceado ou danificado; - chama muito longa, leo batendo no final da fornalha; - queimador mal posicionado, chama batendo nas paredes; - partes refratrias danificadas dificultando a passagem do ar; - tela de entrada de ar do ventilador suja (obstruo do ar); - baixa amperagem do motor do ventilador (perda de rendimento); - vazamento de leo do compressor para os queimadores com ar primrio (ar comprimido); Falta de manuteno adequada no sistema de queima O surgimento de fumaa branca geralmente devido ao excesso de ar na queima e resulta, conseqentemente, em maior perda de calor e maior volume de ar sendo aquecido desnecessariamente. Quando operador no obtm xito na determinao das causas da fuligem, costuma-se abrir o ar em demasia, a fumaa negra desaparece, o ndice de fuligem abaixa e o CO2 tambm. Quando se ajusta a queima, o ndice de CO2 geralmente fixado em valores mais elevados, at que se possa observar a presena de fuligem na chama. Este o sinal que indica a necessidade de voltar alguns pontos at que a chama esteja limpa novamente. A seguir, daremos algumas dicas para reduzir o excesso de fuligem nos gases. Guia prtico para se reduzir o excesso de fuligem nos gases Mantenha limpo regularmente:


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- filtros de leo; - lana do queimador, bico, manter limpo; - linhas de leo, evite que o leo endurea na rede; - tanques de armazenagem, drene a gua, limpeza interna; - tubos da caldeira, se possvel abertura e limpeza da caldeira pelo menos 2 ou 3 vezes ao ano. Verifique o controle de temperatura de aquecimento do leo: - aferir os termostatos; - diminuir a faixa de aquecimento; - instale termmetros e manmetros na linha de leo; - controle a viscosidade do leo em seu laboratrio. Aditivos para leo: - use corretamente conforme recomendado pelo fabricante; - regulagem da combusto; - padronizar a operao entre o pessoal da rea; - ajuste o teor de fuligem e gases pelo menos uma vez / semana; - conhecer todos os parmetros da queima, presses, depresses, viscosidade admitida nos queimadores, modulao, etc. Veja na prxima edio a influncia da tiragem no controle da combusto, a medio e controle da quantidade de monxido de carbono e mais dicas para a melhoria do rendimento da combusto. Bibliografia Hildo Pera, Geradores de vapor. Egidio A. Bega, Caldeiras instrumentao e controle. Vagner Branco, CONFOR; Controle de combusto. Informativo da ESSO, Combusto e combustveis industriais. TESTO do Brasil, Instrumentos de medio. * Originalmente publicado na revista Mecatrnica Atual n 13 dez/ 2003.

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