¿Sabías que medir el oxígeno en los gases de combustión es clave para garantizar un proceso de combustión eficiente y reducir la emisión de gases contaminantes? En este artículo te explicaremos la importancia de la medición de oxígeno (O2) en gases de combustión y cómo esta técnica puede ayudarte a optimizar tus procesos de combustión. ¡Descubre cómo puedes mejorar la eficiencia de tu sistema y contribuir a un ambiente más limpio!
Este artículo describe la medición de oxígeno en gases de combustión. Hay dos tipos de analizador de oxígeno.-Paramagnético y Zirconia– se utiliza para medir el oxígeno en los gases de combustión.
¿Qué es el gas de combustión?
Después del proceso de combustión en la caldera, los humos contienen una mezcla de gases de carácter contaminante, y las partículas sólidas salen al medio ambiente a través de la chimenea. Las emisiones son importantes para el buen funcionamiento de casi todos los procesos industriales que queman combustible. Esto es cierto desde el gas natural de combustión limpia hasta los hornos de carbón.
El contenido de oxígeno de los gases de combustión es uno de los parámetros importantes para el funcionamiento de la caldera, indica qué tan eficiente es el funcionamiento de la caldera.
Propósito de la medición de O2 en gases de combustión
La relación óptima entre los requisitos de combustible y aire de combustión se encuentra a partir de la medición de oxígeno en los gases de combustión. Un analizador de oxígeno es un instrumento perfecto para controlar la cantidad de exceso de aire y la pérdida de calor. Para mantener altos niveles de eficiencia de combustión, se deben medir el oxígeno y los combustibles.
Las mediciones de oxígeno en los gases de combustión se utilizan generalmente para establecer la relación aire-combustible en la combustión. Los analizadores de gases de combustión permiten realizar estas mediciones asegurando un funcionamiento eficiente de la caldera.
¿Cuáles son los componentes de los gases de combustión?
La eficiencia de la caldera aumenta como resultado de la comprensión de los componentes de los gases de combustión y el análisis correcto de sus proporciones. El exceso de aire da como resultado oxígeno que no se consume llevándose el calor con los gases de combustión. Mientras que muy poco aire da como resultado una mala mezcla con el combustible que conduce a la emisión de gas pesado en la estaca.
En el proceso de combustión de la caldera se generan una gran variedad de gases y productos. Los más importantes son el CO (Monóxido de Carbono), CO2 (Dióxido de Carbono), O2 (Oxígeno), hidrocarburos no quemados, partículas sólidas, Nitrógeno, Agua, y bajo ciertas condiciones NOx (Óxido de Nitrógeno) entre ellos.
Cuando el combustible y el oxígeno se queman por completo en el proceso de combustión, solo se produce CO2 (dióxido de carbono) y H2O (agua).
Hay dos tipos de tecnologías para la medición de O2 en los gases de combustión en la chimenea. Los siguientes son el tipo de instrumentos que nos permitirán realizar análisis de gases de combustión.
1. Analizador de oxígeno paramagnético
2. Medición de oxígeno de circonio
Analizador de O2 paramagnético
El oxígeno es de naturaleza paramagnética. Por lo tanto, el oxígeno tiene la propiedad de ser atraído por un fuerte campo magnético. La medición por paramagnético es puramente física. Asegura que allí no se generen residuos. Las celdas de medición pueden vivir durante un largo período. Sin embargo, el desempeño de la celda puede degradarse con suciedad, polvo, corrosivos o solventes. El oxígeno normalmente se mide entre 0,05% y 100%.
El analizador de oxígeno paramagnético mide el oxígeno en gases o mezclas de gases en cualquier nivel entre 0 y 100 por ciento.
Principio de funcionamiento del analizador paramagnético
El principio de funcionamiento del sensor paramagnético es el paramagnético susceptibilidad de la molécula de oxígeno. Es una propiedad física que distingue al oxígeno de la mayoría de los demás gases.
La parte del sensor consta de dos esferas de vidrio llenas de nitrógeno montadas sobre una suspensión giratoria. El conjunto total está suspendido en un fuerte campo magnético. El oxígeno del gas circundante es atraído por el campo magnético, provocando una fuerza sobre las esferas de vidrio. Dependiendo del contenido de oxígeno de los gases circundantes, se aplican fuerzas de torsión a la suspensión.
Funcionamiento del analizador paramagnético
En el primer paso de la medición, se pasa nitrógeno a través del conjunto de suspensión. El ensamblaje estará en un estado equilibrado con la salida del sistema como «nula». La posición cero es detectada por un fotosensor que recibe la luz reflejada desde un espejo unido al conjunto de suspensión. La salida del fotosensor se devuelve a una bobina alrededor del conjunto de suspensión.
Cuando se introduce oxígeno en la celda, el par que actúa sobre el conjunto de suspensión se equilibra con un par de reinicio debido a la corriente de retorno en la bobina. La corriente de retroalimentación es directamente proporcional a la susceptibilidad magnética volumétrica del gas de muestra. La presión parcial de oxígeno en la muestra, por lo tanto, es la corriente.
Proporciona una medición precisa de la concentración de oxígeno en la mezcla de gases.
Beneficios del analizador paramagnético
- El mantenimiento es mínimo y el sensor es duradero.
- El tiempo de respuesta es rápido, con buena precisión.
- Altamente sensible mide incluso niveles bajos de oxígeno.
Analizador de oxígeno de circonio
El analizador de oxígeno de circonio es adecuado para medir niveles de oxígeno de ppm a % en una mezcla de gases. La celda de zirconia es una celda galvánica electroquímica que utiliza un sensor cerámico de alta temperatura que contiene zirconia estabilizada.
Dentro de un instrumento, la celda de zirconio se monta en un horno de temperatura controlada con la electrónica necesaria para procesar la señal de la celda de detección. Las mediciones normalmente se muestran directamente a través de una pantalla digital ya que la concentración de oxígeno está en el rango de 0,01 ppm a 100%.
Construcción de celda de Zirconia
La celda de circonio es un sensor cerámico de alta temperatura y es una celda galvánica electromecánica. Se compone de dos electrodos químicamente inertes eléctricamente conductores. Como se muestra en la figura esquemática anterior, están fijados a ambos lados del electrolito sólido.
El tubo de cerámica (óxido de circonio estabilizado) es completamente hermético a los gases y conduce la electricidad utilizando iones de oxígeno cuando funciona a temperaturas de funcionamiento. Los sensores de este tipo deben calentarse por encima de los 450 °C antes de que se conviertan en conductores electrolíticos. La ecuación de Nernst postula la diferencia de potencial a través de la celda.
Dónde,
E = diferencia de potencial
R = constante de gas
T = temperatura absoluta
F = constante de Faraday
C = Constante de celda del sensor.
P1 y P2 son las presiones parciales de oxígeno a ambos lados del tubo de circonio.
Si un electrodo tiene una presión parcial conocida y se controla la temperatura del sensor, la diferencia de potencial entre los dos electrodos se puede utilizar para determinar la presión parcial desconocida.
Principio de funcionamiento del analizador de oxígeno de circonio
La celda de zirconio está hecha de óxido de zirconio estabilizado con óxido de itrio como una cerámica con electrodos de platino porosos.
El oxígeno molecular se ioniza en electrodos de platino porosos. El electrodo de platino en cada lado de la celda proporciona una superficie catalítica para cambiar las moléculas de oxígeno en iones de oxígeno y los iones de oxígeno en moléculas de oxígeno.
Cuando las moléculas de oxígeno ganan electrones, se convierten en iones que ingresan al electrolito en el lado de alta concentración de la celda. Al mismo tiempo, en el otro electrodo, los iones de oxígeno pierden electrones y se liberan como moléculas de oxígeno.
El contenido de oxígeno de estos gases, y por lo tanto las presiones parciales de oxígeno, es diferente. Cada electrodo produce iones de oxígeno a una velocidad diferente y los introduce en el electrodo de óxido de circonio a una velocidad diferente. Como el óxido de circonio permite que los iones de oxígeno se muevan, la cantidad de iones de oxígeno que se mueven en cada dirección dependerá de la velocidad a la que los iones de oxígeno se ionicen y entren en el electrolito. Se trata de vacantes en la red de óxido de circonio a través del dopaje con óxido de itrio, que es un mecanismo complejo.
Con base en las presiones parciales o de oxígeno en los dos electrodos, la migración de iones de oxígeno a través del electrolito da como resultado un flujo neto de iones en una dirección.
El analizador de óxido de circonio utiliza aire como gas de referencia. En el que se mantiene una concentración de oxígeno constante del 20,9%. El control de temperatura del horno se mantiene a 650°C.
El analizador de óxido de circonio calcula electrónicamente la presión parcial de oxígeno y, por lo tanto, la concentración de oxígeno de una muestra de gas con una entrada de oxígeno de concentración desconocida. Se mide una diferencia de potencial «E» entre los electrodos de la celda de circonio.
Beneficios del analizador de Zirconia
- Medida directa de O2, sin necesidad de extraer y acondicionar la muestra.
- Las celdas de zirconio se utilizan para medir el O2 en los gases de combustión a alta temperatura.
- Medida de O2 en todo tipo de combustibles.
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