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Aplicaciones Sistema MediciónAcústica de Temperatura en

Plantas de Energía de Desecho DOCUMENTO SEI Nº 800950

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El objetivo del presente trabajo es ofrecer una introducción en la teoría del

Pirómetro Acústico y resumir resultados, así como describir los beneficios

percibidos desde que se implementó el uso del Sistema de Medición de

Temperatura Acústica para la determinación de la temperatura de gases

obtenidos en Plantas de Energía a Desecho.

Basados en Plantas de Incineración, el sistema instalado para Bonnenberg +

Drescher suministra tanto mediciones de temperatura en trayectoria

individuales como mapas de perfiles isotérmicos y mapas por zona de la

temperatura promedio en varios tipos de hornos industriales.

El sistema es una instrumentación totalmente automática, exacta y

confiable sin problemas de servicio, implementado por años en

instalaciones de vapor de combustible fósil, unidades de desecho,

aplicaciones en cemento y acero

Para contacto de información adicional:

Bonnenberg + Drescher

Ingenieurgesellschaft mbH

Industriepark Emil Mayrisch

52457 Aldenhoven

Telephone: +49 2464/581-0

Fax: +49 2464/581-250 + 36

email: [email protected]

http://www.budi.de

Elaborado por: Ingeniero Diplomado Manfred Deuster, Aldenhoven



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1. Introducción

La temperatura del gas es uno de indicadores más importantes cuando un

proceso de combustión se realiza en cuánto a factores económicos y

ambientalmente puro. La determinación exacta y confiable es por eso una medida

importante en la investigación y en la industria.

En la práctica se usan los siguientes métodos de medición de contacto:

termocuplas; termómetros de resistencia; termómetros HVT, y para la medición no

invasiva se usan los siguientes métodos: termómetro de radiación y Pirómetro

Acústico.

Por otra parte no es posible la realización de la medición por métodos de contacto

debido al calor, condiciones corrosivas y agresivas del combustible gaseoso. Además

la radiación por calor juega cada vez un papel más importante a medida que aumenta

la temperatura de los gases.

Los termómetros HVT (sondas de succión) permiten una buena determinación del

calor latente del gas sin la influencia de los efectos de la radiación (llamas o paredes

del horno). Sin embargo, debido a su construcción, no son apropiados para una

operación continua.

En el uso de los termómetros de radiación la emisividad y las condiciones del

ambiente son determinantes [1]. En particular cuando la temperatura del ambiente

difiere completamente de la temperatura del objeto, la temperatura del volumen

registrado puede ser enormemente diferente a la temperatura verdadera.

El Pirómetro Acústico fue desarrollado a mediados de los años 80 y ha sido

usado rutinariamente en operaciones permanentes desde los inicios de los 90. Esta

técnica usa las propiedades físicas del gas y registra la temperatura sin los efectos

de la radiación. Esta medición de temperatura es llevada afuera instantáneamente y

no es susceptible a desviaciones.



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2. Principios Técnicos de Medición Acústica de Temperatura en Gases.

2.1 Principio Físico

La velocidad con la cual un impulso de sonido se propaga a través de un gas

es dependiente de la temperatura del gas. La relación es regida por la ecuación

indicada a continuación:

(1)

C = velocidad de sonido en el medioR = constante universal del gasK = razón del calor especificoM = peso molecularT = Temperatura del gas

En la práctica, el valor de la velocidad del sonido en el medio viene dado

como el “tiempo de vuelo” medido a través del espacio entre el transmisor de sonido

y la unidad receptora. Mientras la distancia entre el transmisor y el receptor es

conocida, la ecuación (1) puede calcular la temperatura de acuerdo a:

(2)

D = distancia entre el transmisor y el receptor en metros_ = tiempo de vuelo del impulso de sonido en m/sB = constante acústica = I*R/M en m2/s2 KT = temperatura promedio de la trayectoria en ºC

Ejemplo:

Un Pirómetro Acústico está operando en un horno con una longitud de trayectoria

de 6 m. El análisis del flujo del gas basado en el gas seco es:

N2 = 82 % -Vol.

O2 = 6 %-Vol.

CO2 = 12 %-Vol.



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H2O = 5 %-wt.

El tiempo de vuelo del impulso de sonido medido es 8,5 ms. La temperatura

promedio de la trayectoria será calculada de acuerdo a:

Del análisis del flujo del gas indica anteriormente K = 1,28 y M = 29,24 g/mol, junto

con la constante R = 8314 kJ/kmol K, la constante acústica puede ser obtenida:

B = 364 m2/s2 K

Con la ecuación (2) se obtiene la temperatura promedio.

T = 1095ºC

2.2 Error de Medición

La medición y los parámetros de la ecuación (2) están sujetos a error y

fluctuación ocasionados por los cambios en el medio. Esto es cubierto extensamente

en la literatura [3], y brevemente resumido a continuación.

a.- Influencia por Cambio en la Composición del Gas

De importancia son los componentes de gas que pueden ser expresados en

porcentaje del volumen, es decir N2, O2, CO2, CO y H2O. La influencia sobre los

resultados han sido examinados en plantas de incineración de desechos donde se

observaron grandes fluctuaciones en la composición del gas. Paralelo a las medidas

del Pirómetro Acústico tomadas por encima de los quemadores o por encima de los

inyectores de aire secundarios, se registro la composición del gas. El rango

determinado del análisis basado en un gas seco para dos niveles es:

CO2: 9,9 – 13,6 y 12,9 – 16,3 % -Vol.

O2: 5,6 – 10,4 y 2,7 – 6,7% -Vol.

CO: 187,0 – 430,0 y 321,0 – 1786 mg/m3

H20: 5,0 – 10,0 % -wt.

De 211 medidas individuales la constante media acústica B de 363 m2/s2 K y 368

m2/s2 K se obtuvieron para los niveles 1 y 2, respectivamente, con una desviación de

ca. ± 5 m2/s2K. El error resultante en la temperatura es ± 1,4 %.



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b.- Influencia de Partículas

Para demostrar la influencia de la concentración de polvo en resultados obtenidos

considere el ejemplo en el punto 2.1. Con una concentración del sucio de 5.000

mg/m3 (gas seco) y 10.000 mg/m3 (gas seco) la velocidad del sonido fue C = 703.5

m/s y C = 702 m/s respectivamente, donde C = 705 m/s para un ambiente libre de

materia. El error resultante derivadas de las fluctuaciones por el contenido de sucio

es Tp ± 0,4 %.

c.- Influencia de Longitud de Trayectoria

Hay una dependencia cuadrática de la temperatura sobre la longitud de la

trayectoria. Por lo tanto, la inexactitud resultante por la distancia D = ± 0,1 % es un

error TD ± 0,2 %. La medición exacta de la longitud de la trayectoria es crucial,

particularmente en distancia pequeñas.

d.- Velocidad del Flujo del Gas

El incremento de la velocidad del flujo del gas a través de la trayectoria medida

podría afectar la velocidad del sonido. Por ejemplo, con un gas a temperatura T =

1.000ºC y C = 700 m/s, la velocidad promedio del flujo en el espacio de la trayectoria

de 1 m/s llevaría a un error de Tv = 0.3%. El error producido se puede corregir,

siempre que existan flujos relevantes que lo atraviesen, llevando a cabo con

medidas de temperatura en ambas.

e.- Efecto de Bending

Los gradientes de temperatura pueden cambiar la curvatura de la trayectoria del

sonido (Fernat Bending) [3]. Gradientes de temperatura tanto como 1000 K/m pueden



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estar presentes a lo largo de las paredes de la caldera. A una distancia de 0,5 m y

más el gradiente de temperatura reduce aproximadamente en 100 K/m o menos. El

error de medición atribuido a la distorsión a lo largo de la trayectoria puede ser tanto

como 3,5%, sin embargo, el error es típicamente de 0,2%.

Error Total

Luego de las consideraciones resumidas anteriormente, el error total que

depende del tipo de combustión y del tipo de combustible puede estar entre 1 – 2%.

El error asociado con la medición del tiempo de vuelo (típicamente < 0,5%) y la

inexactitud sistemática debido a la corrección de final o más bien la compensación

del tiempo de no ha sido suficientemente considerado. La compensación del tiempo

toma en cuenta el tiempo de vuelo entre el transmisor y la pared de caldera y la

pared de la caldera al receptor. La corrección final se determina durante la instalación

y debe ser determinada muy cuidadosamente para trayectorias de sonido muy cortas

y/o calderas de grandes paredes [4].

3. Descripción del Sistema de Medición agam

3.1 Desarrollo y Ejecución Técnica

El sistema “agam” usa señales de banda ancha en el rango audible. El

empleo de esta gama de frecuencia es el resultado de la condición de límite práctico

dentro de la medición de la atmósfera, a saber la temperatura depende del efecto de

amortiguamiento de las señales de alta frecuencia y la interferencia dominante de

baja frecuencia debido a la combustión. El primer sistema de generación de sonido

usó una fuente electrodinámica de sonido, hoy día el impulso de sonido se produce

con aire presurizado. La determinación del tiempo de vuelo es llevada a cabo por

técnicas de correlación. En el punto se describe la construcción y operación.



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3.1 Construcción y Operación

El sistema consiste en unidades mecánicamente y eléctricamente idénticas de

transmisor y receptor (Transreceptor) en el horno y una unidad externa del control

(fig. 1).

Las unidades transmisoras operadas reumáticamente consisten de una

transición de guía de ondas con brida, piezomicrofono, válvula magnética, y una caja

de unión separada (fig. 2).

Aire de servicio de la planta produce el impulso de sonido requerido, donde el

aire presurizado mantiene la abertura libre de sucio suspendido. Para la medición la

válvula magnética en abierta en el lado del transmisor, el cual induce un impulso de

sonido en un amplio rango de frecuencia (ruido blanco). La señal es registrada en

ambos Transreceptores. En la unidad de control la señal es filtrada y nivelada. La

señal digital se usa para determinar el tiempo de vuelo entre el transmisor y el

receptor con técnica de correlación especialmente desarrollada. La señal de sonido

producida muestra la misma intensidad par todas las frecuencias producidas, una

señal ideal par la correlación, produce una correlación ideal máxima.

3.3 Configuración del Sistema

El sistema estándar es usado en horno con temperaturas sobre 2000ºC, y el

tamaño del horno o promedio de la longitud de la trayectoria desde 1m hasta 35 m.

En sistemas donde es suficiente una pequeña resolución de temperatura,

puede usarse unidades de medición de trayectoria simple para una o dos trayectorias

independientes. En sistemas donde es requerido grandes resoluciones en la

distribución de la temperatura, varias unidades de trasmisores acústicos son

colocadas en el perímetro del horno para obtener un arreglo de trayectorias

independientes de temperatura. Ejemplos de posibles esquemas de arreglos son

mostrados en la fig. 3. La medición de cada trayectoria es realizada en serie, ya que



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un solo para de Transreceptores puede estar trabajando a la vez. Dentro de un ciclo

de medición de los Transreceptores pueden servir tanto con transmisores como

receptores.

3.4 Mapeo Térmico Bi-dimensional

Una posibilidad de los Sistemas de Medición de Trayectoria Múltiple es la

generación de perfiles de distribución de temperatura en plano bi-dimensional. Le

perfil de Distribución de Temperatura es entonces desplegado en un monitor como un

plano de contornos isométricos, o como un diagrama de temperatura promedio de

una zona, ver fig. 4.

Varios procesos tomográficos se realizan para calcular la matriz de

temperatura desde las trayectorias de temperatura. Uno de los métodos de cálculos

es el Algoritmo de Bezier, el cual fue desarrollado por el matemático francés Bezier.

Originalmente el algoritmo fue implementado para la industria automotriz en proceso

de partes de automóviles.

La exactitud del método puede ser estudiada por el cálculo de perfiles de

temperatura usando diagramas de generación artificial, llamado fantasma [5]. El dato

tomográfico es calculado desde un objeto fantasma, que es calculada por medio de

un rayado integral es calculado para reconstruir un perfil espacial bi-dimensional. Se

puede realizar una comparación entre el original y la reconstrucción. Es posible

obtener los métodos de mapeo para cierta configuración de trayectoria.

La Figura 5 muestra un ejemplo de un fantasma y los resultados del método

tomográfico para 8 unidades de Transreceptores que construyen 24 trayectorias.

Los perfiles de temperatura pueden ser construidos a partir de 6 a 8 unidades

de Transreceptores siempre y cuando los puntos calientes sean comunes. Mayores

desviaciones pueden ocurrir dentro del área encerrada por las paredes del horno,



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cuando existen precipitadas gradientes de temperatura. Para una mejor resolución se

requiere una configuración de 12 a 16 sensores.

4. Aplicaciones en Plantas de Incineración de Desecho

El sistema gam de medición acústica de la temperatura del gas por

Bonnenberg + Drescher está instalado en grandes calderas, plantas de energía de

desecho, plantas de desechos peligrosos con hornos giratorio, hornos de cementos y

acero. Un Pirómetro Acústico se usa para ayudar a mantener identificado y corregir

problemas de quemadores, problemas de escoria (picaduras), sobre calentamiento

del horno y mejorar la disponibilidad y eficiencia. Numerosos sistemas se han

implementado en sistemas de control automatizado en plantas desde hace años.

En el punto 1. la trayectoria del Pirómetro Acústico en plantas de energía de

desecho se usa para realizar el control del sistema de encendido, sistemas SNCF y

para registrar la temperatura del gas bajo las regulaciones según el 17. BImSchV

Otra aplicación es la de medir la distribución de la temperatura por encima de

los rodillos de la parilla para mandar a regular la incineración sobre la parrilla.

4.1 Ejecución de Control en Sistema de Encendido y Control SNCF en Plantas

de Incineración de Desecho usando Sistema de Trayectoria Simple.

En una instalación con Pirómetro Acústico en planta de de incineración de

desecho con 4 unidades de Transreceptores por encima de las boquillas

secundarias, Fig. 6. La señal de temperatura son usadas como puntos de referencia

para cargar con desecho y mover la parrilla. La principal ventaja del Sistema

Pirómetro Acústico es el tiempo de reacción se la señal acústica de la temperatura. El

registro de temperatura es desde 1/2 minuto hasta algunos minutos mas rápido que



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parámetros de control convencionales como cantidad de vapor o O2. Así la señal de

“temperatura del horno” puede estar disponible varios intervalos de alimentación mas

próximos que en cantidad de vapor o O2, dependiendo del tipo de parrilla.

La ventaja resultante es una inigualable eficiencia térmica y una producción estable

de vapor. La experiencia con las plantas de energía de desecho has resultado en una

reducción en las fluctuaciones de vapor hasta un 60%, Fig. 7. La reducción de las

fluctuaciones de carga mejoran la rentabilidad por ser capaz de tomar ventaja de las

reservas.

La estabilidad térmica mejora el contenido de O2 y decrece las emisiones

contaminantes, es decir CO, Fig. 7.

A steady thermal load improves the O2 content and decreases the emissionspollutants, i.e. CO (fig. 7).A homogeneous O2-concentration and a small CO-content in the flue gas help reducecorrosion.In connection with an SNCR-system for the reduction of NOx by means of injectingammonia, thetemperature signal has been incorporated and has lead to a considerable reduction oftemperaturefluctuations (fig. 8).Damping the temperature fluctuations also serves to stabilize the flue gas conditionsbefore gas entersthe SNCR-unit. The system can then operate within a narrow window of opportunityfor the NH3

spraying process. Thus providing a maximum of NOx removal with the least amount ofNH3 emissions[6].This 4 path-configuration allows the determination of temperature differences betweenthe waste inputand ash extraction side.Studies have shown, that large temperature differences point to one sided flowstreams which not onlyimprove conditions for corrosion, but can also lead to violation of the minimumtemperature



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requirements pursuant to the 17. BImSchV (850 °C, 2 seconds) [7]. With theinformation from theintegral temperature values it is possible to adjust the combustion air in order tocorrect this problem.4.2 Controlling a SNCR-Unit and Minimum Temperature Requirements Pursuant

to the

17. BImSchV in Waste to Energy Plants with Multiple Path Measurements andTomography.

In many waste to energy plants acoustic gas temperature measuring systems arelocated approx. 10 mabove the grate (fig. 9). Based on a eight-transceiver mapping array on 3 boiler-wallsthe temperaturedistribution in this plane area can be determined. The temperature profile is used tocontrol theincineration. A complete cycle for this configuration takes approx. 60 seconds. Thetemperature profileis divided into six zones. The average temperature in all zones is provided as analogsignals.The average zone temperature are used to adjust the ammonia injection in the levelor to switchinjection levels. NOx-concentrations of less than 100 mg/m3 can be archived withcertainty [8].In addition to its function to help control the incineration process and to control SNCR-units the acousticgas temperature measurement system can be used as a monitoring device to ensurethat minimalcombustion temperature conditions are not violated.Incineration plants which must meet the requirements of the 17. BImSchV must beconstructed andoperated such that a best possible incineration of the waste materials, and thus thedestruction of thecontaminates is ensured. According to the 17. BImSchV, this can be obtained whenthe flue gasmaintains a minimum temperature of 850 °C for a resident time of at least 2 secondsafter the lastcombustion air stage.In order to charge the incinerator with waste materials it must be ensured that the gastemperature andthe O2-content exceed the minimal requirements.In the past only thermocouples have been used in order to verify that the minimumtemperaturerequirements are met or exceeded. Other measurement systems can also beemployed as long as themeasured values can be validated, reproduced, and a minimum availabilityrequirement is met [9].An acoustic gas temperature measurement system has successfully underwent suchan acceptance



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test and calibration at the municipal waste plant Borsigstraße, Hamburg (MVB) in1994 and 1995parallel to a conventional system, i.e. three thermocuples under the boiler roof [12].In [10] the technical guidelines for the evaluation of measurement system for theminimum temperatureand residence time are listed along with the calibration procedure.The results of the calibration performed at the MVB showed, that the acousticpyrometry satisfies therequirements of the 17. BImSchV with better agreement than the thermocouples didas compared tothe measurements taken from the reference system (reference = HVT probes). Thestandard deviationto the reference system for the thermocouple system is 10 K and 5 K with the acousticgas temperaturemeasurement system. Larger uncertainty arise from the location of thethermocouples, or rather thedistance to the 2 second resident zone, in connection with operation specificconditional changes in thetemperature gradients (i.e. due to boiler fowling).The calibration of the acoustic gas temperature measurement system showed overthe two year period,that there was no detectable drift in tests performed in the studied load ranges (fig.10).In comparison during calibrations, thermocouples have been shown to drift as muchas 50 to 70 K forthe studied load ranges within a years time [12].Due to the positive experience with the acoustic measurement system the operatorhas gainedpermission from the supervising authorities to extend the required calibration intervalsfrom 1 to 3years.In general, a further advantage can be gained by using the acoustic gas temperaturemeasurementsignal to control the support burners. The 17. BImSchV stipulates that by reaching atemperaturebetween 850 °C and 870 °C support burners are to be used. At a temperature below850 °C the wastefeed system is to be blocked.Should the use of the support burners be necessary due to changes in heat values ofthe refuse orirregularities in feed rate due to temperature reduction, the resulting temperatureincrease would bemore quickly registered by the acoustic measurement system. With a fastertemperature measurement,the burners can be ignite at lower temperatures. The igniting of the support burnerslater thennecessary can save premium energy fuel, such as a natural gas or oil.



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4.3 Balancing of the Combustion on a Roller Grate

In the German municipal waste plant, GMVA Oberhausen, a acoustic measurementsystem is installedclose to the roller grate (fig. 11).The system uses 11 transceiver and determines the two dimensional temperaturedistribution, which isshown as isothermal plot on a monitor in the control room.Zone temperatures are calculated and are used as 4-20 mA signals in the plantcontrol system in orderto balance the fire on the grate. Each zone corresponds with the area upon each of 6rollers.The balancing of the fire is realized by adjusting the roller speed and the air under therollers.5. Summary

In summary it should be noted, that the acoustic temperature measurement systemdisplays many newaspects for the determined gas temperature, which (despite the higher investmentcost in comparisonto conventional measurement systems) results in a wide application field. Theexamples show a largepotential for cost savings, too.Literature

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Die Müllverwertungsanlage Rugenberger Damm in Hamburg - Die logischeWeiterentwicklung eines bewährten KonzeptesVGB Konferenz "Thermische Abfallverwertung" 1996, Wien, Juni 1996[9] B. ThullVDI-Bildungswerk: Meßtechnik bei VerbrennungsanlagenÜberprüfung der Mindestbedingungen in der Nachbrennzone vonAbfallverbrennungsanlagengemäß 17. BImSchVDüsseldorf, Juni 1996[10] Bundeseinheitliche Praxis bei der Überwachung der Verbrennungsbedingungenan Abfallverbrennungsanlagen nach der Siebzehnten Verordnung- RdSch.d.BMU v. 1.9.194 - IG 13 - 51 134/3 -[11] Doris MenkeErfahrungen mit neuartigen Meß- und Detektionsgeräten in der MüllverwertungBorsigstraßeVGB Kraftwerkstechnik 75 (1995), Heft 3[12] J. KolendaErfahrungsbericht der MPU Meß- und Prüfstelle Technischer UmweltschutzGmbH, Berlin über den Einsatz des akustischen Gastemperaturmeßsystemsagam an einer Müllverbrennungsanlage

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