Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A DETERMINAÇÃO DA RADIAÇÃO MÉDIA DE UM LEITO DE COMBUSTÃO EM INSTALAÇÕES DE COMBUSTÃO E REGULAGEM DA OPERAÇÃO DE COMBUSTÃO".
A invenção refere-se a um processo para a determinação da ra- diação média e da temperatura média, associada a essa radiação, de uma região de área de um leito de combustão por meio de câmera de infraverme- lho ou câmera termográfica em instalações de combustão e regulagem da operação de combustão ao menos na região de área observada dessa ins- talação de combustão.
Processos conhecidos desse tipo depreendem-se da DE 39 04 272 C2 e DE 42 20 149 A1. Na prática verificaram-se dificuldades quando da realização desses processos, as quais residem no fato que os valores de radiação e temperatura determinados nem sempre correspondem aos valo- res exatos de temperatura do leito de combustão, porque elas são influenci- adas por valores de radiação das chamas, gases de descarga e partículas de negro de fumo que se encontram entre a câmera de infravermelho e o leito de combustão. A conseqüência disso é que as regulagens das opera- ções de combustão realizadas com base em tais grandezas de regulagem freqüentemente não correspondem aos requisitos desejados.
O documento US RE 33,857 descreve um aparelho que é capaz de produzir uma imagem de um leito de fundição de produtos químicos inor- gânicos coletados do fundo de uma caldeira de recuperação de polpa de papel pardo. A imagem produzida é livre de interferência de partículas de negro de fumo e de radiação de gases que tenham obscurecido tentativas anteriores de se visualizar superfícies quentes sob estas condições ambien- tais. O aparelho inclui uma câmara de circuito de vídeo acoplada com um detector de imagem de infravermelho ou um tubo de vidicon. Uma lente ob- jetiva obtém a imagem. Um filtro ótico interposto entre as lentes e o vidicon é um elemento chave da invenção e é selecionado para rejeitar radiação menor do que cerca de 1 micrômetro, para evitar interferência de negro de fumo. Além disso, o filtro é selecionado para também rejeitar todas as faixas limitadas de radiação necessárias para evitar que espécies gasosas se so- brepondo ao leito de fundição e que são fortemente emissivas e absorvedo- ras. Como exemplo, é usado um filtro espectral centrado em 1,68 micrôme- tros com uma largura de banda de 0,007 micrômetros, o qual é adequado para formar imagem de um leito de fundição para de recuperação de polpa de papel pardo.
O documento JP6018025 refere-se a um método para medir a temperatura de uma parede de fornalha, no qual o valor mínimo dentre to- dos os valores medidos obtido em uma unidade de tempo é selecionado como valor central e gerado para cada uma das seções sendo medidas. Pa- ra isso, uma parte que exige determinação da temperatura dentro da parede da fornalha é monitorada por uma câmera infravermelha. O campo visual de uma reflexão capturada pela câmera infravermelha é dividido em seções. Para cada uma das seções, a intensidade da energia da luz é medida uma quantidade de vezes dentro de uma unidade de tempo, e os resultados são comparados. O valor mínimo de todas as medições assim obtidas em cada unidade de tempo e em cada seção é selecionado como um representante para aquela seção particular. Para cada unidade de tempo, o valor repre- sentante em cada seção é mostrado em tons de cor variando com seus va- Iores representantes. Este método captura a intensidade de energia de luz de uma parede de fornalha usando a descontinuidade da chama de um queimador e detecta a condição da parede de fornalha em relação à sua temperatura.
Constitui objetivo da invenção aperfeiçoar de tal maneira um processo do tipo acima indicado que fiquem amplamente eliminadas as per- turbações por radiação de chama, radiação dos gases presentes nos gases de descarga e radiação de sólidos de partículas de negro de fumo e seme- lhantes.
Esse objetivo é amplamente atingido, de acordo com a inven- ção, por um processo do tipo explicado no início, pelo fato de que a medição é restrita a uma faixa de ondas, que corresponde ao mínimo dos gases per- turbadores acima do leito de combustão, sendo que a região de área a ser captada é subdividida em uma retícula de área com várias áreas parciais, sendo que em um intervalo de tempo, em que na região de área a ser cap- tada o leito de combustão pode ser presumido como imóvel e a radiação ou temperatura do leito de combustão como quase constante são tomadas vá- rias fotografias temporalmente sucessivas, sendo que por comparação das fotografias de um intervalo de tempo entre si as áreas parciais com uma ra- diação de meios de radiação em repouso são distinguidas das áreas parci- ais com uma radiação de meios de radiação movimentados, e sendo que para o cálculo da radiação média ou da temperatura média da região de á- rea é considerada apenas a radiação ou temperatura das áreas parciais da radiação de meios de radiação em repouso.
A invenção faz uso, assim, de dois pressupostos básicos, sendo que uma idéia básica reside em verificar, através de análise espectral, a in- tensidade de radiação ao menos dos gases mais freqüentes, determinar o mínimo dessa intensidade de radiação dos gases e ajustar o equipamento de medição empregado em forma de câmeras de infravermelho ou câmeras termográficas a essa faixa de onda, para assim eliminar a maior parte da radiação de gás perturbadora. A segunda idéia básica reside em eliminar a radiação presente entre leito de combustão e equipamento de medição, que parte por exemplo de partículas de sólidos, especialmente de negro de fumo ou de distintos componentes gasosos, na medida em que várias fotografias de uma região de área dividida em retículas de área são feitas sucessiva- mente a curtos intervalos de tempo e, então, para estabelecimento da mé- dia, eliminar aquelas áreas parciais da retícula de área que estão sujeitas a fortes oscilações. Partiu-se então da consideração de que o leito de com- bustão é praticamente imóvel, enquanto que as partículas de sólidos irradi- antes ou gases estão sujeitos a um forte movimento, quando se aplicam in- tervalos de tempo suficientemente pequenos como base de medição. O leito de combustão a ser considerado assim como em repouso também não está sujeito dentro de curtos intervalos de tempo de alguns décimos de segundos a fortes oscilações de temperatura, de modo que, ocorrendo eventuais osci- lações, pode-se supor que entre leito de combustão e equipamento de me- dição ocorrem radiações perturbadoras. Quando, portanto, se separa para a avaliação da radiação aquelas fotografias, que são influenciadas pela radia- ção de partículas movimentadas ou gases, obtém-se então um valor médio amplamente não-influenciado para a radiação de uma região de área, à qual corresponde um determinado valor de temperatura, que pode servir como grandeza de regulagem para influenciar os mais diversos parâmetros, que influem sobre a operação de combustão. Podem ser então influenciados todos os parâmetros até então conhecidos, dos quais a seguir serão indica- dos parâmetros essenciais em uma relação não esgotante. Tais parâmetros podem ser: a quantidade total de ar aduzida ao processo de combustão, a quantidade de ar primário, a distribuição da quantidade de ar no ar primário, a concentração de oxigênio do ar primário, a temperatura do ar de combus- tão primário, a quantidade de emissão de combustível no total ou relaciona- da a determinados segmentos da grelha da fornalha, a velocidade de atiça- mento de toda a grelha da fornalha, a velocidade local de atiçamento da gre- lha da fornalha, etc..
Para a realização do processo de acordo com a invenção é van- tajoso que, por meio da lógica fuzzy dos valores de medição captados, seja formada uma grandeza de regulagem para regulagem de distintas ou de todas as operações reguláveis em função direta ou indireta da temperatura de combustão.
Para se impedir operações de regulagem abruptas, é vantajoso que, em outra configuração da invenção, para a determinação da grandeza de regulagem seja formado um valor médio da radiação média ou da tempe- ratura média de vários intervalos de tempo sucessivos. Um intervalo de tempo pode importar então em 0,1 a 5 segundos.
Comprovou-se uma medida conveniente na prática para a de- terminação da grandeza de regulagem o valor médio dos valores médios de 5 intervalos de tempo sucessivos.
A região de área a ser observada deve importar em ao menos 1 m2 e estar subdividida em uma retícula de área com ao menos 10 áreas par- ciais. Para fornalhas de grelha comprovou-se conveniente que a retícula de área corresponda às zonas de ar primário da região de grelha ativa para a combustão.
O processo de acordo com a invenção é também especialmente vantajosamente apropriado para a verificação da operação regular de uma grelha de fornalha. Para tanto, com valores de radiação ou valores de tem- peratura de distintas áreas parciais divergindo fortemente do valor médio de um intervalo de tempo, esses valores de radiação ou valores de temperatura das correspondentes áreas parciais são observados por vários intervalos de tempo e comparadas entre si as correspondentes imagens das áreas parci- ais. Quando, portanto, uma determinada área parcial apresenta ao longo de vários decursos de tempo sempre um valor acentuadamente divergente do valor médio, portanto, por exemplo, apresenta uma temperatura demasiado alta, então isso pode indicar um defeito mecânico e uma adução de ar mal distribuída, a isso associada. Quando, pelo contrário, em uma região a tem- peratura é constantemente baixa demais, então isso pode indicar um entu- pimento e, assim, uma adução de ar primário demasiado reduzida.
A câmera de infravermelho ou a câmera termográfica emprega- da é de tal maneira equipada com auxílio de filtros que trabalham em uma faixa de onda de 3,5 a 4 μηι. Nessa região, é mínima a intensidade de emis- são dos gases que usualmente ocorrem em um compartimento de fornalha. Trata-se então dos gases CO2, CO e vapor d'água. O negro de fumo nem sempre evitável apresenta de fato, nessa faixa de comprimento de onda, um valor mais baixo do que na faixa de onda menor, mas representa uma con- siderável fonte de perturbação, que é eliminada com auxílio das medidas de processo explicadas no início. O equipamento de avaliação posicionado em seguida à câmera, com um sistema de regulagem fuzzy, é projetado de tal maneira que as imagens obtidas ou os sinais de medição captados são co- dificados segundo a lógica fuzzy, submetidos a um processo de inferência e então decodificados segundo a lógica fuzzy. Resulta então uma qualidade relativa da informação da imagem, que se aproxima bastante do estado real da superfície do leito de combustão. No software é estabelecido um limiar, abaixo do qual uma imagem de infravermelho é definida como não mais ex- plorável. Acima desse limiar são as informações de radiação ou informações de temperatura obtidas passadas adiante sem avaliação da qualidade da imagem. Através da avaliação da imagem, com má qualidade da imagem, por exemplo por mais de dois minutos, os circuitos de regulagem de câmera são desativados e depois novamente ativados. Com isso deve ser impedido que devido a más fotografias, tenha lugar uma regulagem que não corres- ponda à situação efetiva. Esse pode ser então por exemplo o caso quando um desenvolvimento excessivo de negro de fumo, que forma praticamente uma camada sem lacunas entre o leito de separação e a câmera de infra- vermelho, uma "visão" através dessa camada devido à falta de "janela" não permite uma aproveitável avaliação da imagem. Tais estados são apenas de curta duração e, além disso, tais estados podem ser evitados por disposição de várias câmeras de infravermelho, que ficam dirigidas para o leito de com- bustão a distintos ângulos visuais.
A invenção será a seguir explicada a título de exemplo em liga- ção com o desenho. No desenho mostram:
Figura 1 : Um corte vertical através de uma instalação de forna- lha representada esquematicamente com equipamentos para a realização do processo de acordo com a invenção;
Figura 2 : Um diagrama de radiação de diversos gases;
Figuras 3 a 5: Seqüência de imagens representada esquemati- camente e sua avaliação; e
Figura 6: Um esquema de regulagem para uma instalação de fornalha.
O equipamento de fornalha representado na figura 1 abrange uma grelha de fornalha 1, um equipamento de carga 2, um compartimento de fogo 3 com tiragem de gás 4 conectada e um compartimento de inversão 5, em que os gases de descarga são dirigidos para dentro de uma tiragem de gás 6 orientada para cima, da qual eles passam para os agregados usu- ais, conectados em seguida a uma instalação de fornalha, especialmente geradores de vapor e instalações de purificação de gás de descarga.
A grelha de fornalha 1 abrange distintos estágios de fornalha 7, que por sua vez são formados de distintas barras de grelha situadas lado a lado. Cada segundo estágio de grelha da grelha de fornalha executada co- mo grelha de recuo está unido com um acionamento designado com 8 no total, o qual permite ajustar a velocidade do atiçamento. Abaixo da grelha de fornalha 1 estão previstas câmeras de corrente de ar por baixo 9.1 a 9.5, subdivididas tanto em direção longitudinal como também em direção trans- versal, as quais são ativadas separadamente com ar primário através de condutos individuais 10.1 a 10.5. No final da grelha de fornalha, a escória queimada cai através de um cilindro de escória 25 em um poço de queda de escória 11, ao qual chegam eventualmente também as partes de sólidos pesadas, separadas no gás de descarga no compartimento de inversão 12 inferior.
Na fornalha 3 estão alinhadas várias fileiras de bocais de ar se- cundário 13, 14 e 15, que cuidam de uma combustão regulada dos gases combustíveis e das partes de combustível que se encontram em suspensão, mediante adição de assim chamado ar secundário. Essas fileiras de bocais de ar secundário são reguláveis separadamente, pois, distribuídas pela for- nalha, predominam distintas condições.
O equipamento de carga 2 abrange um funil de alimentação 16, uma calha inclinada de alimentação 17, uma mesa de alimentação 18 e um ou vários êmbolos de carga 19, situados lado a lado, eventualmente regulá- veis independentemente entre si, os quais empurram o lixo que cai na calha inclinada de alimentação 17 pela aresta de carga 20 da mesa de alimenta- ção 18 na fornalha para cima da grelha de fornalha 1.
Na cobertura 21, que fecha o compartimento de inversão 5 su- perior, está montada uma câmera de infravermelho 22, que está em comu- nicação com um equipamento 23, que serve para avaliação das imagens recebidas, formação de uma grandeza de regulagem e emissão de ordens de controle para diversos dispositivos da instalação de fornalha para influ- enciar a operação de combustão. Com 23 está, portanto, designado um e- quipamento de avaliação e controle.
A câmera de infravermelho 22 serve para determinação da radi- ação partindo de um leito de combustão 24 que se encontra sobre a grelha de fornalha 1 ou para verificação da temperatura do leito de combustão, que está associada à radiação do leito de combustão. São então amplamente eliminadas perturbações pelas chamas 24a ou pelos componentes sólidos e gasosos contidos nos gases de descarga, como isso será ainda explicado mais detalhadamente abaixo.
O combustível, carregado sobre a grelha da fornalha e formando o leito de combustão, é previamente seco pela zona de corrente de ar por baixo 9.1 e aquecido e inflamado pela radiação dominando na fornalha. Na região das zonas de corrente de ar por baixo 9.2 e 9.3 está a zona de com- bustão principal, enquanto que na região da zona de corrente de ar por bai- xo 9.4 e 9.5 a escória que se forma queima completamente e depois chega ao poço de queda de escória. Os gases ascendendo do leito de combustão contêm ainda frações combustíveis, que são completamente queimadas a- través de adução de ar secundário pelas fileiras de ar secundário 13 a 15. A regulagem da quantidade de alimentação do combustível, das quantidades de ar primário nas distintas zonas de corrente de ar por baixo e sua compo- sição relativamente ao teor de oxigênio se faz em função do comportamento da combustão, que depende do valor calórico do combustível, e no lixo está sujeito a grandes oscilações, sendo que para a captação da grandeza de regulagem necessária é aproveitada a radiação partindo do leito de combus- tão e a temperatura a isso associada, que é determinada com auxílio da câmera de infravermelho 22 e avaliada pelo equipamento de avaliação e regulagem 23 e passada adiante para os equipamentos de ajuste corres- pondentes.
De forma esquemática estão indicados diversos equipamentos de ajuste na figura 1, sendo que com 29 está designado o equipamento de ajuste para influenciar a velocidade da grelha, com 30 o equipamento de ajuste para influenciar o número de rotações do cilindro de escória, com 31 o equipamento de ajuste para influenciar as velocidades de grelha relativa- mente a diversas pistas, com 32 o equipamento de ajuste para a freqüência de ligação e desligamento ou a velocidade do êmbolo de carga, com 33 o equipamento de ajuste para o ajuste da quantidade de ar primário, com 34 o equipamento de ajuste para o ajuste da composição do ar primário relativa- mente ao teor de oxigênio e com 35 o equipamento de ajuste para o ajuste da temperatura de um preaquecedor de ar para o ar primário.
A seguir será mais pormenorizadamente explicado o processo de acordo com a reivindicação com referência às figuras 1 a 6.
Na figura 1 está representada a câmera de infravermelho 22 e seu alinhamento com o leito de combustão. Inicialmente será examinado, em correspondência à figura 2, como o comportamento de radiação dos ga- ses e partículas de sólidos incidindo na fornalha 3 está configurado. Em cor- respondência à figura 2, verifica-se que existe um mínimo de radiação de infravermelho para os gases CO2, CO e H2O na faixa de onda entre 3,5 e 4 μm, que ocorrem pela reação de secagem e combustão do combustível em altas concentrações. Por conseguinte, a câmera de infravermelho é equipa- da com um filtro seletivo de comprimento de onda, que trabalha no mínimo desses gases perturbadores, portanto na faixa de 3,5 a 4 μm. Da figura 2 também se depreende que a intensidade de radiação ou a intensidade de emissão das partículas de sólidos (negro de fumo) da chama 24a na forna- lha 3 cai de fato de um alto valor inicial, sendo que um valor relativamente baixo é já alcançado a partir de 3,5 μηι, e esse valor permanece então apro- ximadamente constante, de modo que a radiação perturbadora partindo das partículas de pó ou negro de fumo não pode ser eliminada por correspon- dentes filtros.
Isso pressupõe então a idéia básica essencial da presente in- venção, que será explicada em correlação com as figuras 3 a 5.
A figura 3 mostra uma região de área fiscalizada por uma câme- ra de infravermelho, que está subdividida em 25 áreas parciais em corres- pondência a uma retícula de área. Aí, as áreas parciais escuras represen- tam aquelas áreas que apresentam uma intensidade de radiação essenci- almente maior e, portanto, uma temperatura mais alta do que as áreas par- ciais claras. Isso se deve ao fato de que a superfície do leito de combustão é relativamente fria em comparação com a atmosfera de gás sobrejacente. Considerando-se então a figura 4, verifica-se que aqui outras áreas parciais apresentam essa alta intensidade de radiação ou temperatura. A figura 4 representa uma fotografia, que foi feita alguns décimos de segundos mais tarde e, assim, abrange aquelas alterações, que podem ocorrer dentro des- se curto intervalo de tempo. Quando se verifica então que, na figura 4, se tem uma outra distribuição de radiação ou temperatura diferente da figura 3, então essas divergências se devem apenas àqueles meios de radiação, que podem variar tanto sua temperatura como também sua posição dentro de curto tempo. Ai não se pode contar com segurança o leito de combustão, pois dentro de uma fração de um segundo não podem ocorrer no leito de combustão alterações de posição notáveis nem uma alteração drástica de temperatura. Comparando-se então as figuras 3 e 4, verifica-se que, em cor- respondência à figura 5, que mostra uma avaliação dessa comparação, são desenhadas escuras aquelas áreas parciais que ou na fotografia segundo a figura 3 ou segundo a figura 4 apresentam uma radiação essencialmente maior e, assim, uma temperatura mais alta. Os campos que permanecem claros na figura 5 correspondem, portanto, a áreas parciais da fotografia da região de área a ser observada, que também permaneceram inalteradas mesmo depois de um certo intervalo de tempo. Disso pode-se concluir que se trata de fotografias de radiação ou medições de temperatura, que provêm de um meio, que não está sujeito a quaisquer variações súbitas e, assim, pode ser considerada como a real radiação do leito de combustão. Na práti- ca, por exemplo, para a formação de uma grandeza de regulagem, que é emitida pelo equipamento de avaliação e controle 23 aos diversos equipa- mentos de ajuste, sete fotografias são tomadas dentro de 3,5 segundos e disso é formado um valor médio em correspondência à comparação repre- sentada nas figuras 3 a 5. Cinco tais valores são então reunidos para uma grandeza de regulagem. No presente exemplo isso significa que a cada 17,5 segundos se tem uma nova grandeza de regulagem. Naturalmente, os inter- valos de tempo, dentro dos quais são feitas as distintas fotografias, podem ser adaptados às respectivas circunstâncias, de modo que se pode trabalhar mesmo com intervalos de tempo essencialmente mais curtos. A área parcial, que é observada por uma câmera de infravermelho, corresponde na prática àquela área, que assume ao menos duas zonas de corrente de ar por baixo até 5 zonas de corrente de ar por baixo. Na prática, a área de uma região de zona de corrente de ar por baixo é de cerca de 2-4 m2, sendo que essa área é então dividida primeiramente em correspondência às zonas de ar primário efetivamente presentes, observadas pela câmera, e depois cada um desses segmentos de imagem correspondentes a uma zona de ar primário é subdi- vidido, para a avaliação em correspondência às explicações em conexão com as figuras 3 a 5, em cerca de 25 áreas parciais. Essa subdivisão e os intervalos de tempo indicados para respectivamente duas fotografias suces- sivas comprovaram-se como suficientes para o estabelecimento da tempe- ratura do leito de combustão em conexão com uma instalação de fornalha com grelha de retorno.
As imagens em correspondência às figuras 3 a 5 são armaze- nadas por vários intervalos de tempo e comparadas entre si, sendo que não só é importante captar a temperatura do leito de combustão, que é repre- sentada nas figuras 3 a 5 pelas áreas parciais claras, mas sim com esse método também se pode verificar se há quaisquer alterações anormais. Se, por exemplo, por um período de tempo mais longo, sempre as áreas parci- ais iguais em comparação com a temperatura média do leito de combustão na região de grelha considerada forem demasiado altas ou demasiado bai- xas na temperatura, pode-se concluir que há uma perturbação da mecânica da grelha ou da adução de ar.
As grandezas de regulagem sucessivas, formadas no equipa- mento de avaliação e regulagem 23, servem para influenciar os distintos equipamentos de ajuste, como está representado em visão panorâmica es- quemática na figura 6. Assim sendo, pelo equipamento de regulagem 23 podem os equipamentos de ajuste para a velocidade de grelha 29 ser influ- enciados até à temperatura no preaquecedor de ar 35, como já foi indicado mais acima.