Análisis de gases de combustión.

Método de análisis químico para determinar la concentración de monóxido de carbono,

agua gaseosa ehidrocarburo gaseoso en un gas de combustión, que comprende las etapas de: (a) dirigir luz de longitud deonda modulada desde un único laser de diodo sintonizable (17) a una longitud de onda en el intervalo dedesde 2 hasta 2,5 micrómetros a través del gas de combustión hasta un detector de luz (18) para producirun perfil de absorción del gas de combustión (b) digitalizar el perfil de absorción del gas de combustión; (c)almacenar el perfil de absorción digitalizado en un ordenador digital; (d) procesar el perfil de absorcióndigitalizado en el ordenador digital para producir una salida desde el ordenador indicativa de laconcentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en el gas de combustión.

Análisis de gases de combustión Antecedentes de la invención La presente invención se encuentra en el campo de análisis de gases de combustión y más específicamente la presente invención se encuentra en el campo del análisis espectroscópico con láser de diodo sintonizable de gases de combustión. El análisis espectroscópico con láser de diodo sintonizable de gases de combustión se conoce y se describe en la técnica anterior, por ejemplo, por: Lackner et al., Thermal Science, V. 6, págs. 13-27, 2002; Allen, Measurement Science and Technology, V. 9, págs. 545-562, 1998; Nikkar y et al., Applied Optics, V. 41 (3) , págs. 446-452, 2002; Upschulte et al., Applied Optics, V. 38 (9) , págs. 1506-1512, 1999; Mihalcea et al., Measurement Science and Technology, V. 9, págs. 327-338, 1998; Webber et al., Proceedings of the Combustion Institute, V. 28, págs. 407-413, 2000; Ebert et al., Proceedings of the Combustion Institute, V. 30, págs. 1611-1618, 2005; Nagali et al., Applied Optics, V. 35 (21) , págs. 4027-4032, 1996; y las patentes estadounidenses 7.248.755 7.244.936 y

7.217.121.

A pesar de los avances significativos en la técnica anterior, sigue habiendo problemas relacionados con una escasa sensibilidad, interferencias del fondo e interferencias de la temperatura como problemas significativos para la aplicación de análisis espectroscópico simultáneo con láser de diodo sintonizable de gas de combustión para determinar el monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso.

El artículo “Tunable diode laser measurements of CO, H2O, and temperature near 1.56 micron for steelmaking furnace pollution control and energy efficiency; Quan; feb. de 2005; VOL. 36B; NR 1B; páginas 53-57” da a conocer un método de realización de mediciones con láser de diodo sintonizable de CO, H2O y temperatura cerca de 1, 56 micrómetros para el control de la contaminación del horno para la fabricación de acero y su eficiencia energética, es decir mediciones in situ de gases de hornos para mejorar la eficiencia energética y las emisiones contaminantes para hornos para la fabricación de acero tales como hornos de arco eléctrico (EAF, electric arc furnace) . Un láser de diodo sintonizable en el infrarrojo (IR) cercano (1, 56 micrómetros) realiza el análisis de gas emitido in situ de la temperatura del gas y las concentraciones de monóxido de carbono y agua en la región de gas de escape por encima de un quemador de laboratorio. El intervalo aplicable de condiciones incluye temperaturas de desde 1250 hasta 1650 K, concentración de CO de desde 0 hasta 10 pct y concentración de H2O de desde 7 hasta 30 pct. La fuente de TDL y el detector se colocan en cualquier lado de un flujo del gas de escape y suministran luz al volumen de medición. En el espectro de absorción, se seleccionan una línea de absorción de CO y una línea de absorción de H2O que están lo suficientemente próximas como para permitir la medición simultánea rápida con una única fuente de láser. El artículo da a conocer además, al comentar la técnica anterior, que la espectroscopía de absorción de láser de diodo ya se conoce para medir H2O, NO2, CH4, CO, O2, es decir, monóxido de carbono, vapor de agua e hidrocarburos.

Sumario de la invención La presente invención es una solución a los problemas establecidos anteriormente para el análisis simultáneo de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en gas de combustión mediante espectroscopía de láser de diodo sintonizable. La sensibilidad de análisis se mejora haciendo funcionar el láser de diodo sintonizable en un intervalo de longitud de onda de desde 2 hasta 2, 5 micrómetros. Las técnicas de procesamiento multivariantes para manipular los datos espectrales permiten la determinación simultánea de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso aunque sólo se use un único láser de diodo sintonizable. Más específicamente, la presente invención es un método de análisis químico para determinar la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en un gas de combustión, que comprende las etapas de: (a) dirigir luz de longitud de onda modulada desde un único laser de diodo sintonizable a una longitud de onda en el intervalo de desde 2 hasta 2, 5 micrómetros a través del gas de combustión hasta un detector de luz para producir un perfil de absorción del gas de combustión (b) digitalizar el perfil de absorción del gas de combustión; (c) almacenar el perfil de absorción digitalizado en un ordenador digital; (d) procesar el perfil de absorción digitalizado en el ordenador digital para producir una salida desde el ordenador indicativa de la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en el gas de combustión.

En una realización relacionada, la presente invención es un método para monitorizar y controlar un sistema de procesamiento térmico activado por combustión para cumplir objetivos de eficiencia, seguridad ambiental y operativa, produciendo el sistema de procesamiento térmico activado por combustión un gas de combustión, que comprende las etapas de: (a) determinar la concentración de oxígeno en el gas de combustión; (b) determinar la temperatura del gas de combustión; y (c) determinar la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en un gas de combustión, mediante un método que comprende las etapas de: (i) dirigir luz de longitud de onda modulada desde un único laser de diodo sintonizable a una longitud de onda en el intervalo de desde 2 hasta 3 micrómetros a través del gas de combustión hasta un único detector de luz para producir un perfil de absorción del gas de combustión; (ii) digitalizar el perfil de absorción del gas de combustión; (iii) almacenar el perfil de absorción digitalizado en un ordenador digital; (iv) procesar el perfil de absorción digitalizado en el ordenador digital para producir una salida desde el ordenador indicativa de la concentración de monóxido de

carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en el gas de combustión.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es un dibujo esquemático de un horno o quemador de procesamiento de hidrocarburos;

la figura 2 muestra la relación entre parámetros de combustión clave para el calentador u horno de la figura 1;

la figura 3a es un dibujo esquemático del calentador u horno de la figura 1 que emplea un sistema de análisis de gas con láser de diodo sintonizable;

la figura 3b es un dibujo esquemático del calentador u horno de la figura 1 que emplea dos sistemas de análisis de gas con láser de diodo sintonizable y un par de sensores de oxígeno de zircona;

la figura 4 es un dibujo más detallado del sistema de análisis de gas con láser de diodo sintonizable;

la figura 5 muestra el espectro infrarrojo para oxígeno en la región de longitud de onda de 759 a 779 nm;

la figura 6 muestra el espectro infrarrojo para monóxido de carbono en la región de longitud de onda de 2280 a 2630 nm;

la figura 7 muestra el espectro infrarrojo para monóxido de carbono en la región de longitud de onda de 1550 a 1680 nm;

la figura 8 muestra espectros de HITRAN de CO, H2Oy CH4 desde 2324 hasta 2328 nm;

la figura 9 muestra espectros de HITRAN de CO, H2Oy CH4 desde 2301, 9 hasta 2302, 4 nm; y

la figura 10 muestra espectros de absorción de CO y H2O recogidos a lo largo de un trayecto largo a 1.100°C.

Descripción detallada La medición de especies gaseosas en un sistema de combustión es importante para el funcionamiento seguro, responsable desde el punto de vista medioambiental y eficiente. Aunque no se limita al mismo, la presente invención tiene particular importancia para hornos y calentadores de procesamiento de hidrocarburos.

Las especies gaseosas y las condiciones de medición específicas usadas en esta invención son, oxígeno (O2) , monóxido de carbono (CO) , temperatura del gas de combustión, agua (H2O) e hidrocarburos (C-H) tales como metano (CH4) .

Haciendo referencia ahora a la figura 1, se muestra en la misma un dibujo esquemático de un calentador u horno de procesamiento de hidrocarburos 10 tal como una unidad de craqueo de etileno, un calentador de refinería de petróleo, una unidad de hidrocraqueo de refinería de petróleo, una unidad de craqueo catalítico fluidizada de refinería de petróleo y una caldera de vapor de generación de energía eléctrica. El calentador u horno 10 se compone de un recinto o pared 11, una tubería 16 que porta, por ejemplo, una corriente de hidrocarburo que va a calentarse, por las llamas 14 y 15 de los quemadores 12 y 13.

Haciendo referencia ahora a la figura 2, se muestra una representación gráfica de... [Seguir leyendo]

1. Método de análisis químico para determinar la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en un gas de combustión, que comprende las etapas de: (a) dirigir luz de longitud de onda modulada desde un único laser de diodo sintonizable (17) a una longitud de onda en el intervalo de desde 2 hasta 2, 5 micrómetros a través del gas de combustión hasta un detector de luz (18) para producir un perfil de absorción del gas de combustión (b) digitalizar el perfil de absorción del gas de combustión; (c) almacenar el perfil de absorción digitalizado en un ordenador digital; (d) procesar el perfil de absorción digitalizado en el ordenador digital para producir una salida desde el ordenador indicativa de la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en el gas de combustión.

2. Método según la reivindicación 1, en el que en la etapa (d) el procesamiento comprende análisis multivariante.

3. Método según la reivindicación 1, en el que el gas de combustión se produce mediante un proceso seleccionado del grupo que consiste en una unidad de craqueo de etileno, un calentador de refinería de petróleo, una unidad de hidrocraqueo de refinería de petróleo, una unidad de craqueo catalítico fluidizada de refinería de petróleo y una caldera de vapor de generación de energía eléctrica.

4. Método para monitorizar y controlar un sistema de procesamiento térmico activado por combustión para cumplir objetivos de eficiencia, seguridad ambiental y operativa, produciendo el sistema de procesamiento térmico activado por combustión un gas de combustión, que comprende las etapas de: (a) determinar la concentración de oxígeno en el gas de combustión; (b) determinar la temperatura del gas de combustión; y

(c) determinar la concentración de monóxido de carbono, agua gaseosa e hidrocarburo gaseoso en un gas de combustión, mediante un método según la reivindicación 1

5. Método según la reivindicación 4, en el que la concentración de oxígeno en el gas de combustión se determina usando uno o más sensores de oxígeno de fuente puntual.

6. Método según la reivindicación 4, en el que la concentración de oxígeno en el gas de combustión y la 25 temperatura del gas de combustión se determinan espectroscópicamente.

7. Método según la reivindicación 4, el gas de combustión se produce mediante un proceso seleccionado del grupo que consiste en una unidad de craqueo de etileno, un calentador de refinería de petróleo, una unidad de hidrocraqueo de refinería de petróleo, una unidad de craqueo catalítico fluidizada de refinería de petróleo y una caldera de vapor de generación de energía eléctrica.

8. Método según la reivindicación 4, en el que el sistema de procesamiento térmico activado por combustión emplea uno o más quemadores de hidrocarburos y en el que las determinaciones se usan para controlar las velocidades de alimentación de aire y combustible de los quemadores para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones.

9. Método según la reivindicación 4, en el que las determinaciones se usan para indicar una condición no 35 segura en el sistema de combustión.

10. Método según la reivindicación 4, en el que el sistema de procesamiento térmico activado por combustión emplea una pluralidad de quemadores de hidrocarburos y un tubo de proceso y en el que las determinaciones se usan para determinar una condición seleccionada del grupo que consiste en si uno o más quemadores son ricos, si uno o más quemadores se han apagado, y si un tubo de proceso tiene fugas.

11. Método según la reivindicación 4, que comprende además determinar el monóxido de carbono en el gas de combustión usando un sensor de monóxido de carbono de fuente puntual.