Comprensione della misurazione dell'ossigeno nei flussi di gas di combustione

Guardare la quantità totale di O2 nel flusso di gas può essere fuorviante perché la quantità stechiometrica di O2 in eccesso è la misura più importante.

I processi di combustione automatizzata sono ovunque intorno a noi, dagli elettrodomestici residenziali e dai sistemi HVAC alle grandi caldaie industriali, ai riscaldatori e alle centrali elettriche. Nonostante tutte le differenze di scala e scopo, l’elemento comune che tutti cercano di raggiungere è l’elevata efficienza attraverso un controllo efficace della combustione. Il costo del carburante è un fattore importante, da qui l’enfasi sull’efficienza, ma anche le considerazioni sulla sicurezza e sulle emissioni sono prioritarie, in particolare queste ultime per le applicazioni industriali. Il tipo di combustione discusso in questo articolo è una reazione chimica tra il carburante e l'ossigeno (O2) ed è quindi soggetto a fattori stechiometrici di base. Deve essere disponibile il numero corretto di molecole di O2 per reagire con il numero corrispondente di molecole di carburante. In pratica, la maggior parte dei combustori utilizza l'aria atmosferica, con il flusso d'aria misurato per controllare la fornitura di O2. Lo squilibrio del flusso d'aria in entrambe le direzioni è problematico. Se l'aria è insufficiente (al di sotto del requisito stechiometrico o con una combustione ricca di carburante), il carburante incombusto esce dal camino. Questo spreca carburante, crea emissioni e inquinanti atmosferici pericolosi. Crea inoltre un potenziale problema di sicurezza nel caso in cui una quantità sufficiente di carburante successivamente si mescoli con O2 e si incendi. A complicare ulteriormente le cose, nel mondo reale, la combustione raramente è completa al cento per cento. Di solito c'è una certa quantità di carburante incombusto nei gas di scarico, anche se tracce non avranno un effetto materiale sui livelli di O2 totale rispetto a quello in eccesso. Tuttavia, livelli significativi di combustibile incombusto sono probabili ad un certo punto della vita operativa di un impianto e sono più comuni di quanto si pensasse. Ciò è inevitabile anche nei bruciatori più efficienti. Maggiori informazioni su cosa significa tra poco. Se c'è troppa aria (al di sopra del requisito stechiometrico, con conseguente combustione a basso contenuto di carburante), l'efficienza viene ridotta a causa dell'energia sprecata riscaldando il volume d'aria non necessario. Ciò è in una certa misura inevitabile poiché circa l’80% dell’aria è costituito da azoto, ma l’aria in eccesso è meno problematica per l’efficienza e più sicura per il funzionamento, sebbene le emissioni di ossidi di azoto (NOx) possano aumentare con l’aumento dell’aria in eccesso. Per la maggior parte dei combustori esiste un eccesso d'aria ideale per ottenere una buona combustione, basse emissioni ed elevata efficienza. L'aria in eccesso e il carburante in eccesso riducono entrambi l'efficienza, ma l'aria in eccesso non riduce l'efficienza tanto quanto lo stesso volume di carburante in eccesso.

Chiunque abbia lavorato con un fornello o una stufa a gas vecchio stile può vedere il processo di miscelazione in funzione regolando la presa d'aria del bruciatore per ottenere una fiamma perfettamente blu. Ma emerge la domanda: qual è il modo più pratico per ottimizzare la combustione su larga scala in termini di sicurezza, efficienza ed emissioni? La risposta più comune è misurare e controllare la quantità di O2 rimanente nei gas di scarico, ma qual è l'ideale? Come appena accennato, la combustione spesso non è perfettamente completa, quindi parte del carburante incombusto e dell'O2 escono dal camino, anche se la miscela di aria e carburante che entra nel bruciatore è giusta. L'area di preoccupazione è la quantità di O2 in eccesso rispetto a quella necessaria per bruciare la quantità di carburante, ma guardare il contenuto totale di O2 nel flusso dei gas di scarico può essere ingannevole se gli operatori non comprendono appieno cosa rappresenta la misurazione. La sfida è determinare quanta parte di O2 nei gas di scarico supera la quantità stechiometrica. Gli operatori normalmente desiderano una certa quantità di O2 in eccesso perché non è desiderabile ridurre il flusso d'aria al di sotto della quantità stechiometrica (Figura 1), ma la quantità esatta dipende dal carburante e dal sistema di combustione. Nella maggior parte delle situazioni, sbagliare sul lato del carburante magro è più desiderabile che correre con il carburante ricco.

Per gli impianti industriali esiste un’ampia gamma di strategie di controllo. Come minimo, ci sarà uno strumento che monitorerà il flusso di carburante. Il flusso d'aria verrà misurato, o almeno controllato, per corrispondere al flusso di carburante. Questo tipo di schema può essere implementato utilizzando una formula (volume d'aria per unità di carburante) per un calcolo approssimativo, ma la variabilità della domanda di ossigeno da diverse fonti di carburante e la precisione delle misurazioni del carburante e del flusso d'aria comportano la necessità di monitorare l'effettivo anche il contenuto di O2 dei gas di combustione. Esistono due tecniche comunemente applicate per la misurazione dell'O2 nei gas di scarico: un analizzatore a diodo laser accordabile (TDL) e un analizzatore con sensore allo zirconio. Un analizzatore TDL utilizza due componenti di rilevamento (Figura 2), una sorgente laser e un rilevatore.