ES2310838T3 - Medicion, sin contacto fisico, de los gases de escape por espectroscopia ftir en unidades metalurgicas. - Google Patents

Medicion, sin contacto fisico, de los gases de escape por espectroscopia ftir en unidades metalurgicas. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la medición, sin contacto físico, de los gases de escape en unidades metalúrgicas en aire ambiente (8) caliente y sucio, de manera especial en un convertidor (1), con un espectrómetro FTIR (2), montado a distancia de la instalación metalúrgica, cuyo rayo de medición (3) está dirigido hacia los gases de escape (7) a través de un orificio (4) adecuado del canal (6) para los gases de escape, como punto de medición, detectándose por metrología en los gases de escape (7), de conformidad con la longitud del rayo de medición, un segmento del volumen de los gases de escape en forma de un cilindro con esta longitud del rayo de medición y representándose los valores de medición, obtenidos en este caso, por el espectrómetro FTIR (2) en espectros, que dependen de la composición de los gases de escape, que posibilitan entonces el cálculo de la composición de los gases de escape sin retardo de tiempo, teniéndose en consideración la temperatura de los gases de escape y un modelo matemático, determinado previamente en forma de un balance de energía, en función de la temperatura, caracterizado porque a) en primer lugar se adapta el modelo matemático, en el que está basado el cálculo de la composición de los gases de escape, al aire ambiente (8) caliente y sucio, que es detectado de manera simultánea por el rayo de medición (3) y a las temperaturas especiales y a las composiciones de los gases de escape de la unidad metalúrgica correspondiente, de manera especial las correspondientes a un convertidor (1), y se elaboran de nuevo, de manera correspondiente, generándose por calibración espectros de referencia, y b) adicionalmente a la detección espectroscópica de la composición de los gases de escape, se determinan de manera concomitante, también, las propiedades de flujo, por ejemplo las partes laminares o bien turbulentas, de los gases de escape (7) y se emplean, de manera concomitante, para apoyar a los cálculos a la hora de la formación del modelo, c) porque se elige el punto de medición (4) para el espectrómetro FTIR (2) de tal manera, que el rayo de medición (3), que sale en línea recta del espectrómetro FTIR (2), pueda ser guiado a través del primer orificio (4) anterior de medición del canal (6) de los gases de escape, pasando a continuación libremente a través de los gases de escape (7) y, finalmente, a través del segundo orificio (5) posterior de medición del canal (6) de los gases de escape, hasta un fondo (10) frío, posterior, fuera del canal (6) de los gases de escape.

Description

Medición, sin contacto físico, de los gases de escape por espectroscopía FTIR en unidades metalúrgicas.
La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la medición, sin contacto físico, de los gases de escape en unidades o bien en instalaciones metalúrgicas en aire ambiente caliente y sucio, de manera especial en un convertidor, con un espectrómetro FTIR (FTIR = Fourier Transform InfraRed -Transformación InfraRoja de Fourier-) montado a distancia de la instalación metalúrgica, cuyo rayo de medición está dirigido hacia los gases de escape a través de un orificio adecuado del canal para los gases de escape, como punto de medición, detectándose por metrología en los gases de escape, de conformidad con la longitud del rayo de medición, un segmento del volumen de los gases de escape en forma de un cilindro con esta longitud del rayo de medición y representándose los valores de medición, obtenidos en este caso, por el espectrómetro FTIR en espectros, que dependen de la composición de los gases de escape, que posibilitan entonces el cálculo de la composición de los gases de escape sin retardo de tiempo, teniéndose en consideración la temperatura de los gases de escape y un modelo matemático, determinado previamente en forma de un balance de energía, en función de la temperatura.
Se conocen procedimientos y dispositivos correspondientes, por ejemplo, por las publicaciones US 2003/160 174 A1, US 5 984 998 A y US 3 871 871 A.
Durante la realización de procesos metalúrgicos en partes de la instalación, tal como, por ejemplo, en un convertidor, el conocimiento de la composición de los gases de escape en función del tiempo representa un medio auxiliar importante con el fin proporcionar conclusiones sobre el avance del proceso y poder controlar, entonces, este proceso de manera correspondiente. Los posibles procedimientos de análisis, conocidos, consisten, por ejemplo, en tomar de la corriente de los gases de escape un volumen limitado y analizar, entonces, esta muestra de gases de escape, por ejemplo, por espectroscopía, tal como se ha descifro, por ejemplo, en la publicación DE 42 17 933 C2 para la determinación del punto final para el proceso de afino en los convertidores con oxígeno.
En los procedimientos de análisis, que están basados en la toma de muestras, el inconveniente reside en el retardo en el tiempo con el que se obtienen los resultados del análisis, tras la tomas de las muestras, ya que tienen que enfriarse, previamente, los gases de escape y tienen que ser elaborados, eventualmente, para el análisis. Por otra parte, constituye un inconveniente la necesidad existente de limpiar el sistema de toma (lanza, tuberías) (puesto que los gases de escape están sucios), con lo que se producen interrupciones, que conducen, de igual modo, a un retardo en el tiempo, hasta que se obtengan los resultados del análisis. Por último, tan solo puede conseguirse un resultado exacto del análisis con una toma realizada exactamente con el mismo flujo, con lo cual éste no tiene que ser obligatoriamente representativo, debido, de igual modo, a que el volumen de la muestra es pequeño.
Con el fin de evitar los inconvenientes citados, se ha propuesto en la publicación de O. Jannasch, H.-W.Gudenau, K. Mavrommatis, D. Senk: "Bestimmung der Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen durch FTIR-Abgasanalyse" (Determinación de la postcombustión en el horno de arco eléctrico por medio de análisis FTIR de los gases de escape); Vortrag 18. Aachener Stahlkolloquium 25. y 26. Septiembre 2003, Tagungsband Verlag Mainz, Aachen, un procedimiento con el que puede llevarse a cabo un análisis, sin contacto físico, de los gases de escape sin retardos en el tiempo dignos de consideración.
Para llevar a cabo el análisis, sin contacto físico, de los gases de escape se instala un espectrómetro FTIR, a distancia del horno de arco eléctrico, sobre una plataforma, cuyo rayo de medición (rayo láser) está dirigido hacia un intersticio del codo de los gases de escape, se desarrolla un modelo matemático en forma de un balance de energía, a partir de los resultados de medición en forma de espectros, dependientes de la temperatura, y de los componentes de los gases de escape obtenidos, con fines comparativos, con un analizador tradicional de gasas, basado en la toma de muestras. La combinación subsiguiente de este modelo desarrollado con valores actuales de la espectrometría FTIR, proporciona entonces un procedimiento para el análisis de gases de escape rápido y en ausencia de contacto físico, que puede ser empelado para llevar a cabo un control de la postcombustión en el horno de arco eléctrico y que conduciría a un aprovechamiento eficiente de la energía contenido en los gases de escape.
La tarea de la invención consiste, a partir del estado de la técnica citado, en adaptar el procedimiento de análisis de los gases de escape, sin contacto físico, que ha sido desarrollado para los hornos de arco eléctrico, a otras instalaciones metalúrgicas, que se encuentren en un aire ambiente caliente y sucio, tal como ocurre, de manera especial, en los convertidores, y en proporcionar un dispositivo adecuado para esta finalidad
La tarea propuesta se resuelve, de conformidad con la invención, con los rasgos caracterizantes de la reivindicación 1, porque, en primer lugar, se adapta el modelo matemático, en el que está basado el cálculo de la composición de los gases de escape, al aire circundante caliente y sucio, que es detectado al mismo tiempo por el rayo de medición, y a las temperaturas especiales y a las composiciones de los gases de escape de la unidad metalúrgica correspondiente, de manera especial a las de un convertidor, y se elaboran de nuevo de manera correspondiente, generándose espectros de referencia por calibración, detectándose, además de la detección espectroscópica de la composición de los gases de escape, también la propiedades de flujo (partes laminares o bien turbulentas) de los gases de escape y se emplean, de manera concomitante, para apoyar los cálculos a la hora de la formación del modelo y porque se elige el punto de medición para el espectrómetro FTIR de tal manera, que EL rayo de medición, que sale en línea recta del espectrómetro FTIR, pueda ser guiado a través del primer orificio anterior de medición del canal de los gases de escape, pasando a continuación libremente a través de los gases de escape y, finalmente, a través del segundo orificio posterior de medición del canal de los gases de escape, hasta un fondo frío, posterior, fuera del canal de los gases de escape.
Se ha caracterizado un dispositivo para la realización de un procedimiento de este tipo, para el análisis de los gases de escape, sin contacto físico, por medio de las características de la reivindicación 5.
En las reivindicaciones dependientes se han indicado configuraciones ventajosas de la invención.
El punto de medición para el rayo de medición del espectrómetro FTIR se elegirá sobre un punto adecuado del canal de los gases de escape de tal manera, que el rayo de medición pase libremente desde un orificio anterior del canal de los gases de escape, a través de los gases de escape y, a continuación, a través de un segundo orificio posterior del canal de los gases de escape, hasta un fondo frío, posterior, fuera del canal de los gases de escape. El fondo frío, que es necesario como punto de referencia para la detección espectroscópica de los gases de escape, debería estar dispuesto, en este caso, en la posición más próxima posible por detrás del canal de los gases de escape. En este caso, puede elegirse llevar a cabo la orientación exacta del rayo de medición del espectrómetro FTIR, que es necesaria para una medición tan exacta como sea posible, a través de los orificios del canal de los gases de escape del punto de medición, por medio de un sistema de espejos. La detección de las propiedades de flujo de los gases de escape, que se lleva a cabo de manera adicional, para el apoyo de la formación del modelo, se lleva a cabo, de conformidad con la invención, por medio de una clamara CCD, que está instalada en el punto de medición del espectrómetro FTIR o en la proximidad inmediata de este punto de medición.
Puesto que, tanto el espectrómetro FTIR así como, también, la cámara CCD se encuentra en la proximidad caliente de la instalación metalúrgica, que debe ser medida, es obligatoriamente necesario proteger de manera correspondiente ambos dispositivos, que son sensibles y también caros y, de manera especial deben ser refrigerados, por ejemplo con nitrógeno líquido.
Mediante las distancias espaciales entre el espectrómetro FTIR y el fondo frío del canal de los gases de escape, no solamente serán detectados los componentes de los gases de escape a la hora de la realización de una medición espectral, sino que, de igual modo, lo serán los del aire circundante sucio, que se encuentra entre el canal de los gases de escape y el espectrómetro FTIR y, respectivamente, el fondo frío. A la hora del establecimiento del modelo matemático deben tenerse en consideración estos productos perturbadores, que no pertenecen a los gases de escape y que deben ser eliminados de manera correspondiente, con el fin de no provocar ulteriormente interpretaciones erróneas de los resultados de la medición.
El fondo frío es necesario para calibrar el espectrómetro. Un fondo frío no emite actividades infrarrojas de ningún tipo, por lo que el espectrómetro recibe permanentemente una referencia para poder registrar los espectros de los gases de escape calientes, que deben ser medidos.
Las distancias comprendidas entre el punto de medición y el espectrómetro pueden estar comprendidas, en el caso ideal, entre 15 m y 30 m; en el caso de distancias mayores se requiere un amplificador. En los puntos de medición, en los que no sea posible un contacto visual directo entre el punto de medición y la posición del espectrómetro, debe instalarse un sistema de espejos, eventualmente en conexión con un amplificador. Tales mediciones conducen a un empeoramiento de la calidad de la señal. Es difícil establecer un límite superior de las distancias, debiendo ser determinado por vía experimental y depende, en gran medida, de la calidad de los gases de escape y de la absorción de las señales por parte del aire ensuciado, que está comprendido entre el punto de medición y la posición del espectrómetro.
El modelo matemático es necesario, ya que cada molécula de gas muestra fuertes diferencias en los espectros (número de ondas y forma) en función de la temperatura. La intensidad del espectro (máximo de emisividad) proporciona una información sobre la proporción de esta molécula sobre la totalidad de los gases de escape. El modelo matemático establece correlaciones exactas.
Existen dos modos de trabajo para la espectroscopía infrarroja: un modo activo y un modo pasivo. Únicamente existe un rayo de medición real en el modo activo. En este caso, se excita el gas que debe ser medido; por lo tanto el fondo frío absorbería la energía en este modo, no existe reflexión. Una forma de trabajo según el modo pasivo aprovecha la energía que está almacenada en los gases de escape calientes. La energía excita a las moléculas del gas de escape según movimientos de traslación y de rotación, siendo recogidos estos movimientos por el espectrómetro. Un fondo frío no presenta actividades de ningún tipo, es decir que presenta una "actividad nula", que puede ser aprovechada como referencia por el espectrómetro.
Un dispositivo para la realización de un medición de los gases de escape sin contacto físico, de este tipo, en el aire ambiente caliente y sucio, se caracteriza porque se ha posicionado un espectrómetro FTIR, en ausencia de vibraciones, sobre una plataforma, en las proximidades de la instalación metalúrgica, de tal manera, que puede orientarse un rayo de medición por medio de un punto de medición adecuado con orificios en el canal de los gases de escape, a través de los gases de escape hasta un fondo frío, posterior, y una cámara CCD está instalada con una orientación tal que registre, al mismo tiempo o con solo un pequeño retardo de tiempo, las propiedades de flujo de los gases de escape, para la detección espectroscópica de la composición de los gases de escape.
Puesto que el espectrómetro FTIR está instalado en las proximidades del canal de los gases de escape, para llevar a cabo la medición y que, por lo tanto, se encuentra en el aire ambiente caliente y sucio y que, por otro lado, es sensible, por ejemplo, frente a los campos electromagnéticos que emanan de los transformadores, el espectrómetro FTIR está situado dentro de una carcasa constituida por una caja de chapa, para la protección contra la suciedad del aire ambiente, cuya caja está revestida con metal MU para apantallar los campos electromagnéticos eventualmente emergentes. En esta caja de chapa puede estar dispuesta también, en caso necesario, la cámara CCD.
El espectrómetro FTIR y, respectivamente, el detector y/o la caja de chapa están conectados con un dispositivo de refrigeración, que está alimentado, por ejemplo, con nitrógeno líquido, para su protección contra la elevada temperatura del aire ambiente.
El espectrómetro FTIR, así como la cámara CCD, están conectados con un ordenador de medición, a través de líneas correspondientes o incluso por radio, cuyo ordenador está dispuesto, por ejemplo, en la sala de verificación de la instalación metalúrgica y, de este modo, hace posible una evaluación de los resultados de la medición en un lugar termostatado y limpio.
A continuación se explican con mayor detalle otras particularidades, características y ventajas de la invención por medio de un ejemplo de realización representado en la figura única del dibujo.
En la figura del dibujo se ha representado un convertidor 1 de tipo de construcción tradicional, por lo que se desistirá aquí de la explicación de los detalles constructivos. El extremo superior de este convertidor 1 forma un canal de gases de escape 6, a través del cual se retiran los gases de escape 7 calientes del convertidor 1. Se ha representado, a escala ampliada con respecto al tamaño del convertidor, la instalación de medición para el análisis espectroscópico de los gases de escape, que está distanciada en el espacio con respecto a este convertidor 1, cuya instalación de medición está constituida por el espectrómetro FTIR 2, por un fondo frío 10 y por un ordenador de medición 9, que está conectado con el espectrómetro FTIR por medio de una línea de conexión 11. El espectrómetro FTIR, mostrado como caja negra, que debe simbolizar la caja de chapa de recubrimiento, está instalado sobre una plataforma (no representada) a una altura tal, que el rayo de medición 3 del espectrómetro FTIR 2 salga en dirección horizontal sobre una parte del convertidor 1, que conduce el gas de escape.
Los criterios para el punto de instalación del espectrómetro FTIR 2 son la presencia o la consecución de orificios de medición 4, 5 adecuados en el canal de los gases de escape 6, que permitan la menor penetración posible en los gases de escape 7 de aire falso a través de los orificios de medición 4,5 y, además, un fondo frío 10, que se encuentre por detrás del canal de los gases de escape 6 a la altura del rayo de medición 3.
En el ejemplo de realización representado, el rayo de medición 3, que parte del espectrómetro FTIR 2, penetra, en primer lugar, a través del orificio de medición anterior 4, en la parte superior del convertidor 1 o bien en la parte inferior del canal de los gases de escape 6, a continuación, atraviesa los gases de escape 7 en dirección horizontal y llega, finalmente hasta el fondo frío 10, que está dispuesto a distancia con respecto al convertidor 1, una vez que abandona el canal de los gases de escape 6 a través del orificio de medición posterior 5. En su recorrido desde el espectrómetro FTIR 2 hasta el fondo frío 10, el rayo de medición 3 no solamente recorre los gases de escape en una longitud, que corresponde a la distancia comprendida entre ambos orificios de medición 4 y 5, sino que, al mismo tiempo, recorre el aire circundante 8, caliente y sucio, del convertidor 1. Constituye una dificultad el que este aire circundante 8 y su composición y temperatura pueden oscilar de manera no definida y, por lo tanto, pueden ser diferentes por delante y por detrás del convertidor 1. En el modelo matemático, que debe ser establecido, deben tenerse en consideración estos valores, que son ampliamente independientes de la composición de los gases de escape, por medio de ensayos previos y de calibraciones correspondientes, a la hora del establecimiento de los espectros de referencia, que son elaborados en el modelo matemático.
Lista de los números de referencia
1
Convertidor
2
Espectrómetro FTIR
3
Rayo de medición
4
Orificio de medición anterior
5
Orificio de medición posterior
6
Canal de los gases de escape
7
Gases de escape
8
Aire circundante
9
Ordenador de medición
10
Fondo frío
11
Línea de conexión.

Claims (8)

1. Procedimiento para la medición, sin contacto físico, de los gases de escape en unidades metalúrgicas en aire ambiente (8) caliente y sucio, de manera especial en un convertidor (1), con un espectrómetro FTIR (2), montado a distancia de la instalación metalúrgica, cuyo rayo de medición (3) está dirigido hacia los gases de escape (7) a través de un orificio (4) adecuado del canal (6) para los gases de escape, como punto de medición, detectándose por metrología en los gases de escape (7), de conformidad con la longitud del rayo de medición, un segmento del volumen de los gases de escape en forma de un cilindro con esta longitud del rayo de medición y representándose los valores de medición, obtenidos en este caso, por el espectrómetro FTIR (2) en espectros, que dependen de la composición de los gases de escape, que posibilitan entonces el cálculo de la composición de los gases de escape sin retardo de tiempo, teniéndose en consideración la temperatura de los gases de escape y un modelo matemático, determinado previamente en forma de un balance de energía, en función de la temperatura,
caracterizado porque
a)
en primer lugar se adapta el modelo matemático, en el que está basado el cálculo de la composición de los gases de escape, al aire ambiente (8) caliente y sucio, que es detectado de manera simultánea por el rayo de medición (3) y a las temperaturas especiales y a las composiciones de los gases de escape de la unidad metalúrgica correspondiente, de manera especial las correspondientes a un convertidor (1), y se elaboran de nuevo, de manera correspondiente, generándose por calibración espectros de referencia, y
b)
adicionalmente a la detección espectroscópica de la composición de los gases de escape, se determinan de manera concomitante, también, las propiedades de flujo, por ejemplo las partes laminares o bien turbulentas, de los gases de escape (7) y se emplean, de manera concomitante, para apoyar a los cálculos a la hora de la formación del modelo,
c)
porque se elige el punto de medición (4) para el espectrómetro FTIR (2) de tal manera, que el rayo de medición (3), que sale en línea recta del espectrómetro FTIR (2), pueda ser guiado a través del primer orificio (4) anterior de medición del canal (6) de los gases de escape, pasando a continuación libremente a través de los gases de escape (7) y, finalmente, a través del segundo orificio (5) posterior de medición del canal (6) de los gases de escape, hasta un fondo (10) frío, posterior, fuera del canal (6) de los gases de escape.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
se utiliza una cámara CCD, que está instalada en el punto de medición (4) del espectrómetro FTIR (2) o en la proximidad inmediata de este punto de medición (4), para detectar las propiedades de flujo de los gases de escape (7).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2
caracterizado porque
se lleva a cabo la orientación exacta del rayo de medición (3) del espectrómetro FTIR (2) a través de los orificios de medición (4, 5) del canal (6) de los gases de escape del punto de medición por medio de un sistema de espejos.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 o 3
caracterizado porque
se refrigeran el espectrómetro FTIR (2) y, en caso necesario, la cámara CCD.
5. Dispositivo para la realización de una medición, sin contacto físico, de gases de escape en instalaciones metalúrgicas en aire circundante (8) caliente y sucio, de manera especial en un convertidor (1), según una o varias de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque comprende
a)
un espectrómetro FTIR (2) alojado, de manera exenta de vibraciones, sobre una plataforma en la proximidad de una instalación metalúrgica, que está posicionado sobre la plataforma de tal manera, que pueda ser orientado un rayo de medición (3) a través de los gases de escape (7), por medio de un punto de medición adecuado, con orificios (4, 5) en el canal (6) de los gases de escape, hasta un fondo (10) frío, posterior de tal manera, que puede ser detectado por metrología en los gases de escape (7) un segmento de volumen de los gases de escape en forma de un cilindro, con esta longitud del rayo de medición,
\newpage
b)
una cámara CCD instalada, que está orientada de tal manera, que se registran, de manera simultánea, o con un pequeño retardo de tiempo, las propiedades de flujo de los gases de escape (7) para la detección espectroscópica de la composición de los gases de escape, y un ordenador de medición (9), que posibilita el cálculo de la composición de los gases de escape, teniendo en consideración la temperatura de los gases de escape y un modelo matemático, determinado previamente en forma de un balance de energía, en función de la temperatura y que genera espectros de referencia de conformidad con la etapa a) del procedimiento de la reivindicación 1, y que emplea, de manera concomitante, las propiedades de flujo para apoyar los cálculos a la hora de la formación del modelo.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque
el espectrómetro FTIR (2) está situado dentro de una carcasa para la protección contra la suciedad y contra los campos electromagnéticos emergentes, constituida por una caja de chapa revestida con metal MU.
7. Dispositivo según la reivindicación 5 o 6,
caracterizado porque
el espectrómetro FTIR (2), es decir el detector, y/o la caja de chapa, así como, en caso necesario, también la cámara CCD, están conectados con un dispositivo de refrigeración, que es alimentado, por ejemplo, con nitrógeno líquido.
8. Dispositivo según la reivindicación 5, 6 o 7,
caracterizado porque
el espectrómetro FTIR (2) y la cámara CCD están conectados con un ordenador de medición (9).
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