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RESUMEN
El uso eficiente de la energía y la conservación del medio ambiente constituye una preocupación prioritaria en las políticas internacionales, especialmente en términos de la contaminación generada por quema de combustibles fósiles. Se estima que en Chile el 38 % del consumo energético proviene del petróleo, mientras que el gas natural muestra una participación creciente en el mercado alcanzando un 24 %. En el sector industrial, la generación energética a partir de procesos de combustión refleja deficiencias atribuibles a regulación deficiente de los equipos (hornos y calderas) y a la carencia de sistemas de control que aseguren una operación con rendimiento óptimo y niveles moderados de contaminantes atmosféricos (CO, NOx, SOx y COV). Los componentes utilizados para el control de combustión en equipos industriales presentan altos costos y problemas de mantención debido al uso de sensores intrusivos. Su principio de operación considera el ajuste de la mezcla aire-combustible a una consigna preestablecida de porcentaje de oxígeno, la cual no necesariamente es óptima para condiciones operacionales variables en los equipos.
La presente investigación se basa en el desarrollo de sistemas de control automático, no intrusivos, que optimicen la combustión en calderas y hornos industriales que operan con gas (licuado, natural y diluido) o petróleo. El lazo de control se establece mediante dispositivos fotónicos que procesan la señal luminosa de la llama en la zona de reacción. El espectro visible y UV de dicha zona muestra emisiones de radicales libres (OH, C2 y CH), los cuales son excelentes indicadores de la transferencia de calor y formación de contaminantes. Por otra parte, el procesamiento de imágenes tiene su principal ventaja en la alta resolución espacial y en las posibilidades de descomposición mediante técnicas de filtraje, permitiendo la asociación con la información espectral. Para la caracterización de llamas, se construirá una cámara de ensayo equipada con ventanas para visualización de llamas e instrumental para cuantificar el calor transferido y las emisiones gaseosas. Además se realizará un análisis exhaustivo de la influencia de los parámetros de ajuste de los quemadores a ensayar (potencia, aire global y la distribución de aire primario y secundario).
Las estrategias de control consideran dos alternativas: 1) estructuras clásicas, equivalentes a las desarrolladas por el autor en estudio anterior [12] usando la señal espectral de la llama captada por fotodiodos que operan en bandas de emisión de CH y OH, y 2) estructuras basadas en redes neuronales artificiales [52], usando procesamiento de imágenes en tiempo real con cámaras CCD y CMOS. El uso de redes neuronales artificiales se justifica por su capacidad de procesar imágenes y clasificar patrones complejos. El primer producto, de menor costo, se orienta hacia el mercado de quemadores industriales los cuales incorporan en su sistema de seguridad fotodiodos para supervisión de llama. El segundo caso, permite un diagnóstico de mayor complejidad en equipos que, además de los requisitos de regulación del aire de combustión, requieren mantener ciertas características morfológicas y de estabilidad de llama. El control se establecerá mediante sistemas de adquisición y post-tratamiento de imágenes, que enviarán la señal de retroalimentación para ajustar el aire de combustión a través del servomotor del quemador. Para probar los prototipos, será necesario adaptar el sistema de visualización y control en calderas comerciales disponibles en los laboratorios asociados y en equipos de una industria de celulosa.
El investigador principal registra resultados promisorios en la aplicación de sensores fotónicos y se estima que los sistemas de control propuestos traerían como beneficio una reducción del consumo energético y, consecuentemente, de las emisiones gaseosas en un 5% aproximadamente. Además, la información obtenida permitirá avanzar en la formulación de modelos teóricos y en la optimización de sistemas de combustión. Considerando un mercado objetivo de 194 industrias nacionales que poseen equipos de combustión, se espera que la empresa tecnológica creada en la U. de Concepción capte un 15% y la contraparte Anwo un 30%. Los primeros beneficios del negocio para las empresas encargadas de producir y distribuir los sistemas de control, deberían surgir al quinto año a partir del inicio del proyecto y dos años más tarde se debería producir en régimen estable. Este proyecto posse un TIR de 91% y un Van (12%) M$ 86,6. de Cabe destacar el impacto científico-tecnológico para las instituciones participantes que se lograría gracias a la interacción con centros internacionales de reconocido prestigio, la formación de personal especializado en áreas específicas (control, sensores ópticos y combustión), y en el impacto tecnológico para el país a través de la difusión y promoción de los resultados a nivel internacional. |