ES2293168T3 - Metodos y sistemas para medir y controlar el porcentaje estequiometrico de oxidante en un incinerador. - Google Patents

Abstract

Un método para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador en condiciones pirolíticas, comprendiendo dicho método las etapas de: generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización; generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización; y conducir dichas señales eléctricas a un procesador para convertir dichas señales eléctricas en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

Description

Métodos y sistemas para medir y controlar el porcentaje estequiométrico de oxidante en un incinerador.

La presente invención se refiere generalmente a un procedimiento de combustión y más particularmente a métodos y dispositivos para medir el porcentaje estequiométrico de oxidante (PSO) en la sección de pirólisis de incineradores.

En aplicaciones de incineración, es práctica común emplear dos etapas de combustión. En la primera etapa, se suministra aire de combustión a un ritmo menor que el requerimiento estequiométrico de aire. Se define el requerimiento estequiométrico de aire como el caudal de aire requerido para la combustión completa de las corrientes de combustible y desechos. La combustión completa quiere decir que los productos de combustión son compuestos estables tales como CO_{2}, H_{2}O, N_{2} y He (si existe).

De este modo, en la primera etapa los desechos se pirolizan comúnmente en una atmósfera deficiente en oxígeno. Este horno, o porción del horno, se denomina comúnmente cámara u horno de reducción, combustión primaria, deficiente en oxígeno o de pirolización. Se suministra a continuación aire de combustión adicional en una sección subsecuente para destruir cualquier producto de combustión incompleta. Esta sección secundaria se denomina típicamente sección de re-oxidacción o postcombustión. Tal sistema típico se describe en, por ejemplo, los documentos EP-A-0561044, US-A-4517906, US-A-4182246 o US-A-4395958.

Las emisiones contaminantes están fuertemente influenciadas por las cantidades de aire de combustión suministradas a la sección de pirolización y la de postcombustión. Por lo tanto, es muy deseable ser capaces de medir y controlar el suministro de aire a ambas secciones. El suministro de aire a la sección de postcombustión se regula típicamente para conseguir cierto nivel de exceso de oxígeno en la chimenea de gases de escape, o en algunos casos para conseguir una temperatura objetivo. El suministro de aire u oxidante a la sección de pirolización es más difícil de controlar. Es deseable medir y controlar el suministro de oxidante a la sección de pirolización como porcentaje oxidante estequiométrico de oxidante, o "PSO". El PSO es igual al suministro de oxidante real dividido entre el suministro de oxidante estequiométrico expresado como porcentaje. Aunque los oxidantes incluyen compuestos tales como NO y NO_{2}, en la práctica la fuente principal de oxidante para incineradores es generalmente aire. Por lo tanto, se usa a menudo el término "PSA" (porcentaje estequiométrico de aire) en lugar de PSO.

El PSO puede también estar relacionado con una relación de equivalencia. La relación de equivalencia se define como la relación real de combustible a aire dividida entre la relación estequiométrica de combustible a aire. La relación de equivalencia está relacionada con el PSO porque la relación de equivalencia es simplemente 100/PSO. Cuando se suministra combustible y aire para conseguir la combustión completa, se dice que la reacción es estequiométrica, el PSO es igual a 100% y la relación de equivalencia es igual a 1.

Un medio común de regular directamente el suministro de aire al horno de pirólisis es medir los caudales de combustible, desechos, y aire; calcular el PSO; y a continuación controlar el PSO hasta cierto valor cambiando el suministro de aire. Las composiciones de desechos a menudo varían con el tiempo o son simplemente desconocidas. En la práctica, debido a las dificultades asociadas a las indeterminaciones y fluctuaciones en las composiciones de desechos, los desechos se excluyen a menudo del cálculo de la necesidad de aire estequiométrico. Debido a esta exclusión, el método no puede reflejar con precisión la necesidad correcta de aire.

Otros métodos comunes para controlar el suministro de aire son medir y controlar el nivel de combustible en el horno de pirolización o medir el cambio de temperatura debido a la adición de aire de postcombustión. Estos métodos son modos indirectos de controlar el PSO.

Se han usado sensores de oxígeno para medir la relación aire/combustible, o la relación de equivalencia, en motores de combustión interna y tales dispositivos se han usado ampliamente en automóviles. Estos sensores no tienen en cuenta la dependencia de la relación de equivalencia del nivel de oxígeno y temperatura y por lo tanto no pueden funcionar en amplios intervalos de temperaturas. Sin embargo, tales dispositivos son capaces de no tener en cuenta el efecto de la temperatura en las predicciones de la relación de equivalencia porque las temperaturas del gas de escape están normalmente reguladas dentro de un relativamente estrecho margen.

Otros dispositivos que han reconocido la necesidad de tener en cuenta los efectos de la temperatura utilizan chips semiconductores procesados para exhibir un rápido cambio en resistencia eléctrica que responde a diferencias en la temperatura del gas de escape. La resistencia eléctrica dependiente de la temperatura se usa para compensar la señal del sensor de oxígeno para producir una predicción más precisa del PSO. Debido a las características mecánicas y eléctricas de los materiales usados en los chips que compensan la temperatura, tales dispositivos no pueden funcionar en las altas temperaturas de 760ºC a 1760ºC que se ven comúnmente en las secciones de pirolización de los
incineradores.

De este modo, se necesitan métodos para medir directamente el PSO en secciones de pirólisis de incineradores para evitar los problemas descritos anteriormente.

La invención se define en las reivindicaciones.

Por la presente invención, se proporcionan métodos para medir y controlar el porcentaje estequiométrico de oxidante, "PSO", en la sección de pirolización de un incinerador, y sistemas para uso para medir y controlar el PSO que satisfacen las necesidades anteriormente descritas y superan las deficiencias de la técnica anterior. Los métodos para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador comprenden básicamente las siguientes etapas. Se genera una señal eléctrica que corresponde a la concentración de oxígeno utilizando un sensor de oxígeno colocado para detectar la concentración o presión parcial de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la temperatura usando un sensor de temperatura colocado para detectar la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización. Las señales eléctricas se conducen a continuación a un procesador para convertir las señales eléctricas del sensor de oxígeno y sensor de temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

Los métodos de esta invención para controlar el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprenden las siguientes etapas. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización. Las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y la temperatura se conducen a un procesador para convertir las señales eléctricas en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO. La estimación del PSO se transmite a un controlador de retroalimentación para generar una señal de control de caudal de la soplante de aire de combustión, oxidante o combustible para ajustar el caudal de aire de combustión, oxidante o combustible basado en la estimación del PSO y en el valor del PSO preseleccionado. La señal de control se transmite a continuación al dispositivo de control de la soplante de aire de combustión, oxidante o combustible.

Los sistemas para su uso para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprenden lo siguiente: un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización, un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización, y un dispositivo para convertir las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

Los sistemas para uso para controlar el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprenden lo siguiente: un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización, un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización, un controlador para controlar la cantidad de aire de combustión, oxidante o combustible a la sección de pirolización del incinerador, un dispositivo para convertir las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO, y un medio para generar una señal de control para el dispositivo de control del aire de combustión basado en la estimación del PSO y un valor del PSO preseleccionado.

La invención se describirá adicionalmente, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Fig. 1 muestra un incinerador típico con el sistema de la invención para medir el PSO en el funcionamiento de la sección de pirolización.

La Fig. 2 muestra un incinerador típico con el sistema de la invención para controlar el caudal de aire de combustión a la sección de pirolización.

Los métodos preferidos de esta invención para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprenden las siguientes etapas. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno utilizando un sensor de oxígeno colocado para detectar la concentración o presión parcial de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la temperatura usando un sensor de temperatura colocado para detectar la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización. Las señales eléctricas se conducen a continuación a un procesador para convertir las señales eléctricas del sensor de oxígeno y sensor de temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO. El método general se muestra en la Fig. 1.

Los sensores de oxígeno apropiados que se pueden usar en esta invención para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno incluyen, pero no están limitados a, sensores de oxígeno basados en circonia, sensores electroquímicos, sensores de microsensores de combustible, y sensores paramagnéticos. De estos son preferidos los sensores basados en circonia. Un sensor de oxígeno particularmente apropiado está comercialmente disponible con el nombre comercial "Oxyfire^{TM}" de Marathon Sensors, Inc. de Cincinnati, Ohio. El sensor se debe colocar para detectar la concentración o presión parcial de oxígeno en los gases justo dentro de la sección de pirolización del incinerador.

Los sensores de temperatura apropiados que se pueden usar en esta invención para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura incluyen, pero no están limitados a, termopares, detectores de temperatura de resistencia, pirómetros y dispositivos de temperatura remotos. De estos, son preferidos los termopares. Los termopares particularmente apropiados están comercialmente disponibles como sondas termopar integrales de tipo B o tipo R disponibles de Marthon Sensors, Inc, de Cincinnati, Ohio. El sensor se debe colocar para detectar la temperatura de los gases justo dentro de la sección de pirolización del incinerador y tan cerca como sea posible del sensor de oxígeno.

Las señales de los sensores de oxígeno y temperatura se conducen a un procesador para calcular una estimación del PSO. Un procesador particularmente apropiado está comercialmente disponible como una unidad "Series F4" de Watlow Electric Manufacturing Company de St. Louis, Missouri.

El procesador calcula una estimación del PSO usando una relación matemática desarrollada a partir de cálculos de equilibrio. Este método está basado en la suposición inicial de que la sección de pirolización tiene un tiempo de residencia suficientemente largo para permitir que la concentración de oxígeno llegue cerca de su valor de equilibrio. Los ajustes para las condiciones reales de funcionamiento de no-equilibrio se pueden hacer generalmente una vez que la unidad está en funcionamiento.

El PSO se puede expresar como función de la concentración de oxígeno y la temperatura de una pluralidad de formas diferentes. Entre estas formas, se encuentra que dos son las más apropiadas. La primera forma es:

PSO = a+b/[1+((x+eT)/c)^{d}]

en la que x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas.

La segunda expresión está en la forma de un polinomio:

PSO = a+b(x+eT)+c(x+eT)^{2}+d(x+eT)^{3}

en la que, de nuevo, x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas

Por ejemplo, el sensor de oxígeno basado en circonia es una célula electrolítica de óxido de circonio, o circonia, que tiene un electrólito de estado sólido que conduce iones oxígeno a temperaturas por encima de 760ºC. La conducción iónica se refleja en un voltaje entre los dos electrodos. La magnitud del voltaje depende de la concentración del oxígeno a través de las paredes de la celda (relaciones de las presiones parciales de oxígeno) y la temperatura de la celda. La fuerza electromotriz de la celda se puede determinar por la ecuación de Nernst:

x=-0,0215(T_{r})Log_{10}(P_{0}/P_{1})

en la que x es el voltaje de salida de la celda en milivoltios; P_{0} es la presión parcial de oxígeno en la celda en %, 20,95%; P_{1} es la presión parcial de oxígeno en el procedimiento medida en %; y T_{r} es la temperatura absoluta de la sonda en grados K.

La presión parcial del oxígeno en los gases de combustión se calculó para condiciones de equilibrio a distintas temperaturas entre 760ºC y 1760ºC y para diferentes condiciones subestequiométricas. Estos valores se introdujeron a continuación en la ecuación de Nernst para producir los voltajes de salida de la celda. A continuación los voltajes (x) de salida de la celda y las temperaturas de funcionamiento de los gases de combustión (T) en las diferentes condiciones subestequiométricas se evaluaron empíricamente para producir las constantes necesarias para calcular el porcentaje estequiométrico de oxidante (PSO) para cualquier condición dentro de los límites de frontera de los datos.

La relación de equivalencia se puede expresar también en cuanto a las señales de oxígeno y temperatura dado que la relación de equivalencia es simplemente 100/PSO. Por ejemplo, si el PSO es 80%, la relación de equivalencia es 100/85 o 1,25.

Los métodos de esta invención para medir el PSO se pueden aplicar a la combustión de muchos tipos de compuestos de desecho tales como NH_{3}, HCN, C_{2}H_{3}N, C_{3}H_{3}N, combustibles orgánicos saturados e insaturados tales como parafinas, olefinas, cicloparafinas, acetilenos y compuestos aromáticos con muy poco error. La precisión puede ser afectada por las cantidades excesivas de compuestos que contienen oxígeno ligado tales como agua (H_{2}O), NO_{2} y NO. Aquí, "cantidad excesiva" se define como más de alrededor de una libra de oxígeno ligado de cualquier corriente dirigida al incinerador (por ejemplo, corriente de desechos o corriente de enfriamiento) por cada libra de combustible hidrocarbonado en la que el combustible hidrocarbonado puede ser desechos o el combustible suministrado para el funcionamiento normal.

Los métodos preferidos de esta invención para controlar el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprenden las siguientes etapas. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización. Se genera una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización. Las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura se conducen a un procesador para convertir las señales eléctricas en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO. La estimación del PSO se transmite a un controlador de retroalimentación para generar una señal de control de caudal de aire de combustión, oxidante o combustible para ajustar el caudal del aire de combustión, oxidante o combustible basado en el cálculo del PSO y un valor de PSO preseleccionado. La señal de control se transmite a continuación al dispositivo de control de la soplante de aire de combustión. El método general se muestra en la Fig. 2.

Se suministra aire a la sección de pirolización del incinerador por medio de una soplante. El caudal de aire se puede cambiar por varios medios que incluyen usar una válvula, cambiar la velocidad de la soplante o cambiar la inclinación de las aspas de la soplante. La presente invención permite que el PSO se controle a un valor preseleccionado ajustando el caudal de aire de la soplante usando un dispositivo apropiado escogido del grupo que incluye, pero no está limitado a, una válvula, un controlador de la velocidad de la soplante, o un dispositivo para ajustar la inclinación de las aspas de la soplante. Esto se consigue transfiriendo electrónicamente la estimación del PSO desde el procesador a un controlador de retroalimentación. El controlador de retroalimentación genera una señal de dispositivo de control de la soplante de aire de combustión basada en la estimación del PSO y un valor del PSO preseleccionado usando procedimientos de control estándar conocidos por los expertos en la técnica.

Un sistema preferido para su uso para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprende un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización, un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización, y un dispositivo para convertir las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

Un sistema preferido para su uso para controlar el PSO en la sección de pirolización de un incinerador básicamente comprende un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización, un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización, un dispositivo de control de la soplante de aire de combustión, oxidante o combustible para controlar la cantidad de aire de combustión, oxidante o combustible a la sección de pirolización del incinerador, un dispositivo para convertir las señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO, y un medio para generar una señal de control para el dispositivo de control del aire de combustión basado en la estimación del PSO y un valor de PSO preseleccionado.

De este modo, la presente invención está bien adaptada para alcanzar los objetivos y ventajas mencionadas así como aquellas que son inherentes a ella. Aunque se pueden hacer numerosos cambios por los expertos en la técnica, tales cambios están incluidos dentro del alcance de esta invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (18)

1. Un método para medir el PSO en la sección de pirolización de un incinerador en condiciones pirolíticas, comprendiendo dicho método las etapas de:

generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización;

generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización; y

conducir dichas señales eléctricas a un procesador para convertir dichas señales eléctricas en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

2. El método de la reivindicación 1, en el que dicho sensor de oxígeno se selecciona del grupo que consiste en sensores de oxígeno basados en circonia, sensores electroquímicos, microsensores de combustible y sensores paramagnéticos.

3. El método de la reivindicación 1, en el que dicho sensor de temperatura se selecciona del grupo que consiste en termopares, detectores de temperatura de resistencia, pirómetros y dispositivos de temperatura remotos.

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente las etapas de:

transmitir dicha estimación del PSO a un controlador de retroalimentación para generar una señal de control de caudal para ajustar un caudal del procedimiento basado en dicha estimación del PSO, un valor del PSO preseleccionado, y el caudal del procedimiento, en el que dicho caudal del procedimiento se selecciona del grupo que consiste en los caudales de aire de combustión, oxidante y combustible; y

transmitir dicha señal de control de caudal al correspondiente dispositivo de control de caudal.

5. El método de la reivindicación 4, en el que la señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno es generada por un sensor de oxígeno seleccionado del grupo que consiste en sensores de oxígeno basados en circonia, sensores electroquímicos, microsensores de combustible y sensores paramagnéticos y colocado en los gases dentro de la sección de pirolización.

6. El método de la reivindicación 2 o 5, en el que dicho sensor de oxígeno es un sensor de oxígeno basado en circonia.

7. El método de la reivindicación 4, en el que la señal eléctrica correspondiente a la temperatura es generada por un sensor de temperatura seleccionado del grupo que consiste en termopares, detectores de temperatura de resistencia, pirómetros y dispositivos de temperatura remotos y colocado para detectar la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización.

8. El método de la reivindicación 3 o 7, en el que el sensor de temperatura es un termopar.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha relación matemática es:

PSO = a+b/[1+((x+eT)/c)^{d}]

en la que x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas.

10. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha relación matemática es:

PSO = a+b(x+eT)+c(x+eT)^{2}+d(x+eT)^{3}

en la que x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas.

11. Un sistema dispuesto para medir el PSO en condiciones pirolíticas en la sección de pirolización de un incinerador que comprende:

un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno en los gases dentro de la sección de pirolización;

un medio para generar una señal eléctrica correspondiente a la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización; y

un dispositivo para convertir dichas señales eléctricas correspondientes a la concentración de oxígeno y temperatura en una estimación del PSO usando una relación matemática entre las señales eléctricas y el PSO.

12. El sistema de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente:

un medio para generar una señal de control de caudal para ajustar un caudal del procedimiento basado en la estimación del PSO, un valor del PSO preseleccionado, y el caudal del procedimiento, en el que dicho caudal del procedimiento se selecciona del grupo que consiste en caudales de aire de combustión, oxidante y combustible; y

un dispositivo para ajustar el caudal de procedimiento correspondiente a dicha señal de control.

13. El sistema de la reivindicación 11 o 12, en el que la señal eléctrica correspondiente a la concentración de oxígeno es generada por un sensor de oxígeno seleccionado del grupo que consiste en sensores de oxígeno basados en circonia, sensores electroquímicos, microsensores de combustible y sensores paramagnéticos y colocado en los gases dentro de la sección de pirolización.

14. El sistema de la reivindicación 13, en el que dicho sensor de oxígeno es un sensor de oxígeno basado en circonia.

15. El sistema de la reivindicación 11 o 12, en el que la señal eléctrica correspondiente a la temperatura es generada por un sensor de temperatura seleccionado del grupo que consiste en termopares, detectores de temperatura de resistencia, pirómetros y dispositivos de temperatura remotos y colocado para detectar la temperatura de los gases dentro de la sección de pirolización.

16. El sistema de la reivindicación 15, en el que el sensor de temperatura es un termopar.

17. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en el que dicha relación matemática es:

PSO = a+b/[1+((x+eT)/c)^{d}]

en la que x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas.

18. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en el que dicha relación matemática es:

PSO = a+b(x+eT)+c(x+eT)^{2}+d(x+eT)^{3}

en la que x es la salida del sensor de oxígeno en milivoltios, T es la temperatura en ºF, y de a a e son constantes empíricas.