Conheça a importância do controle de CO em Caldeiras

Só se consegue ter uma caldeira eficiente com uma combustão eficiente! Isto é fato!

Em qualquer processo de combustão o que mais se deseja é a conversão energética completa do combustível. Isto, por sua vez, tenderá a maximizar a eficiência do equipamento (caldeira por exemplo). Na prática, a conversão energética do combustível é a conversão do Carbono (C) e do Hidrogênio (H), respectivamente, em CO2 (Dióxido de Carbono) e H2O (Vapor de água).

Para realizar a combustão precisa-se dos 3 elementos: Combustível, Oxigênio e Calor. O oxigênio vem do ar atmosférico. Todos sabem que a concentração de Oxigênio na atmosfera é de 21% de mol/mol, e que este oxigênio será convertido em CO2 após reagir quimicamente com o combustível. Uma boa combustão será aquela que apresentará o maior nível possível de CO2 possível (quanto maior próximo de 21% melhor – para biomassa). Isto, por sua vez, representará níveis de oxigênio próximos de 0,0%.

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A quantidade de emissão de CO2 e H2O vai depender do tipo de combustível que está queimando. Em linhas gerais, na combustão de biomassa a emissão de CO2 irá variar entre 0-21,0% de mol/mol.

Porém durante o processo de conversão completa de CO2 e H20, podem ser emitidos Hidrocarbonetos (HC) ou Monóxido de carbono (CO) que são gases que caracterizam a combustão incompleta. A soma dos hidrocarbonetos e do CO é chamada de CO equivalente ou apenas COe.

Mas como conseguir a combustão perfeita? A combustão perfeita é a combustão estequiométrica, ou seja, sem excesso de ar e com COe igual a 0ppm. Neste caso a emissão de CO2 será máxima.

Existe combustão com O2 igual a ZERO ou com CO2 máximo? Não. Não existe porque quanto mais se aproxima da estequiometria maior é a tendência de emissão de COe (Combustão incompleta) e isto significa combustível sem queimar ou perda de eficiência.

Então, o que é o ideal? O ideal é se conseguir o maior nível de CO2 possível desde que não se tenha emissões de CO ou HC altas.

Ou seja, A eficiência da caldeira é afetada tanto pelo excesso de ar alto (medida pelo nível de CO2) quanto pela emissão de COe. Literalmente é dinheiro saindo pela chaminé, tanto de uma forma quanto de outra!

Como resolver isso? O ideal é ter medição e controle de O2 + COe. Veja como isso funciona:

Caldeiras que tem apenas controle de O2 já apresentam uma grande vantagem em relação as caldeiras que não tem nenhum tipo de controle e medição de gases. Porém a forma de controle, normalmente é feita com o conceito de SET-POINT fixo,  ou malha de controle de 01 elemento. Ou seja, existe um valor “alvo” de oxigênio (excesso de ar) que a malha de controle da automação tentará buscar. Nisto, o ventilador de ar irá aumentar e/ou diminuir a sua velocidade buscando sempre o “alvo” (SET-POINT). A maioria das caldeiras com este tipo de malha de controle operam com SET-POINT de 7,0% aproximadamente.

Veja a figura 1 abaixo. Este gráfico foi extraído do catálogo do nosso Analisador de O2 + CO2, modelo COONTROL-100  

  • Encontre a linha azul: esta linha representa o comportamento do CO2 de uma caldeira sem nenhum tipo de controle de gases
  • Encontre a linha laranja: esta linha representa o CO2 de uma caldeira com controle de CO2 ou com controle de O2
  • Encontre as linhas amarelas tracejadas: estas linhas representam a variação normal do CO2 da caldeira durante o funcionamento da malha de controle.

 Agora encontre a eficiência de cada um dos tipos de caldeira operando com e sem controle de oxigênio no eixo vertical (eixo y) do lado direito

Figura 1 - Controle de Oxigênio (O2)
Figura 1 – Controle de Oxigênio (O2)

 

Já as caldeiras que têm controle de O2 + COe, operam com o conceito de malha de controle com 02 elementos, o Oxigênio e o COe. Neste caso o SET-POINT de oxigênio não é fixo e sim remoto. Ou seja, ele irá variar para mais ou para menos a depender da emissão de CO + HC (lembre-se que a somatória de CO + HC é chamada de COe ou CO equivalente). Ou seja, o COe é que determina o nível de SET-POINT do Oxigênio. E isso faz toda a diferença. Na prática, caldeiras com este tipo de controle conseguem operar com nível de oxigênio bem menores do que as anteriores. E isto impactará na eficiência. Vejam a figura 2 abaixo para entender melhor. Este gráfico foi extraído do catálogo do nosso Analisador de O2 + CO2 + CO, modelo COONTROL-200:

  • Neste gráfico as cores das linhas representam as mesmas situações do gráfico anterior, porém agora com a demonstração do SET-POINT remoto.
  • Neste caso o SET-POINT varia de acordo com o nível de COe. Sempre tentando manter nivel de até 500 ppm
  • Note o ganho de eficiência que isto pode trazer no eixo vertical (eixo y) do lado direito.
Figura 2 - Gráfico de Controle de O2 + CO
Figura 2 – Gráfico de Controle de O2 + CO

Uma informação importante é sobre o mecanismo de como isto funciona. O que faz com que a eficiência aumente é principalmente o aumento do nível de CO2 da combustão, e não necessariamente a redução de emissão de COe. É claro que ninguém aceitaria altas emissões de COe. Mas na prática, é bastante viável se aumentar a emissão de COe para 500 ppm para se reduzir a emissão de CO2. Pois a carga energética recuperada pela otimização de emissão de CO2 é muito maior do que a carga energética de COe.

A maioria das caldeiras apresentam emissões de CO abaixo de 100ppm. Pra se ter ideia, a cada 3.000 ppm de CO equivale aproximadamente 1,0% de melhoria de eficiência. Porém se pode conseguir melhorias de até 20% de eficiência com a otimização de CO2.

Essas variáveis, aliadas ao total controle dos gases que saem da chaminé, possibilitam a máxima otimização da combustão em todos seus pontos.

Portanto, dispor de equipamentos medidores de gases da combustão significa otimizar todo o processo de queima, redução no consumo de combustíveis e maior eficiência.

 Conheça a nossa calculadora de eficiência de caldeira: https://coontrol.com.br/calculadora

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