Los sistemas de monitoreo continuo de emisiones ( CEMS ) se utilizan como herramienta para monitorear las corrientes de gases efluentes resultantes de la combustión en procesos industriales. CEMS puede medir los gases de combustión en busca de oxígeno , monóxido de carbono y dióxido de carbono para proporcionar información para el control de la combustión en entornos industriales. [1] [2] También se utilizan como medio para cumplir con los estándares de emisiones al aire , como el Programa de Lluvia Ácida de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) , [3] otros programas federales de emisiones de los EE. UU. o estándares de emisiones permitidos por el estado. . Los CEMS suelen consistir en analizadores para medir las concentraciones de gas dentro de la corriente, equipos para dirigir una muestra de esa corriente de gas a los analizadores si son remotos, equipos para acondicionar el gas de muestra eliminando agua y otros componentes que podrían interferir con la lectura, neumáticos plomería con válvulas que pueden ser controladas por un PLC para dirigir el gas de muestra hacia y desde los analizadores, un sistema de calibración y mantenimiento que permite la inyección de gases de calibración en la línea de muestra y un sistema de manejo y adquisición de datos (DAHS) que recopila y almacena cada punto de datos y puede realizar los cálculos necesarios para obtener la masa total de emisiones. Un CEMS opera en todo momento incluso si el proceso que mide no está en marcha. Pueden recopilar, registrar y reportar continuamente datos de emisiones para el monitoreo de procesos y/o con fines de cumplimiento.
El sistema CEM estándar consta de una sonda de muestra, un filtro , una línea de muestra ( umbilical ), un sistema de acondicionamiento de gas, un sistema de gas de calibración y una serie de analizadores de gas que reflejan los parámetros que se monitorean. Las emisiones típicas monitoreadas incluyen: dióxido de azufre , óxidos de nitrógeno , monóxido de carbono , dióxido de carbono , cloruro de hidrógeno , partículas en suspensión en el aire , mercurio , compuestos orgánicos volátiles y oxígeno . Los sistemas CEM también pueden medir el flujo de aire, la opacidad de los gases de combustión y la humedad . Un sistema de monitoreo que mide partículas se conoce como PEMS.
En los EE. UU., la EPA exige un sistema de adquisición y manejo de datos para recopilar e informar los datos. Las mediciones de concentración se pueden convertir a masa/hora incluyendo mediciones de caudal. Los tipos de gases que se miden y los cálculos requeridos dependen del tipo de fuente y cada tipo de fuente tiene su propia subparte según 40 CFR parte 60 y parte 75. [4] SO2Las emisiones se miden en libras por hora usando tanto un SO
2 monitor de concentración de contaminantes y un monitor de flujo volumétrico. Para NOx , se utilizan tanto un monitor de concentración de contaminantes de NOx como un monitor de gas diluyente para determinar la tasa de emisiones en peso por volumen o peso por valor calorífico (por ejemplo, libras/millón de Btu, libras/pie 3 , kg/kWh o kg /m3 ) . A veces se requieren mediciones de opacidad, según el tipo de fuente. A veces es necesario medir el CO 2 ; sin embargo, si se monitorea, se debe utilizar un monitor de CO 2 u oxígeno más un monitor de flujo. El DAHS debe poder recopilar, registrar y almacenar datos, normalmente a intervalos de 1 minuto. Para fines de cumplimiento, un DAHS debe estar en funcionamiento continuo las 24 horas del día, los 7 días de la semana, los 365 días del año, incluso cuando no haya ningún proceso en marcha. Para una medición válida, el DAHS debe registrar al menos una lectura cada 15 minutos durante 3 de cada 4 trimestres. Luego, las lecturas se promedian cada hora. [5]
Se extrae una pequeña muestra de gases de combustión, mediante una bomba , al sistema CEM mediante una sonda de muestra. Las instalaciones que queman combustibles fósiles suelen utilizar una sonda de dilución -extracción para diluir la muestra con aire limpio y seco en una proporción normalmente entre 50:1 y 200:1, pero normalmente 100:1. Se utiliza la dilución porque los gases de combustión puros pueden estar calientes, húmedos y, en el caso de algunos contaminantes, pegajosos. Una vez diluida en la proporción adecuada, la muestra se transporta a través de una línea de muestra (normalmente denominada umbilical) hasta un colector del que los analizadores individuales pueden extraer una muestra. Los analizadores de gases emplean varias técnicas para medir con precisión las concentraciones. Algunas técnicas comúnmente utilizadas incluyen: adsorción infrarroja y ultravioleta , quimioluminiscencia , fluorescencia y absorción de rayos beta . Después del análisis , el gas sale del analizador hacia un colector común a todos los analizadores, donde se ventila al exterior. Un sistema de adquisición y manejo de datos (DAHS) recibe la señal de salida de cada analizador para recopilar y registrar datos de emisiones . [6]
Otro método de extracción de muestras utilizado en fuentes industriales y fuentes de servicios públicos con bajas tasas de emisión se denomina comúnmente CEMS "extractivo seco", extractivo "seco en caliente" o "directo". La muestra no se diluye, sino que se transporta a lo largo de una línea de muestra calentada a alta temperatura hasta una unidad de acondicionamiento de muestras. La muestra se filtra para eliminar las partículas y se seca, generalmente con un enfriador , para eliminar la humedad . Una vez acondicionada, la muestra ingresa a un colector de muestreo y se mide mediante varios analizadores de gas, generalmente NOx y O2 ( y a veces CO) para turbinas de combustión y motores que funcionan con gas natural o diésel. Los analizadores de NO x normalmente funcionan mediante quimioluminiscencia . Los analizadores de O 2 crean un campo magnético que atrae el O 2 para medir la concentración. El O 2 provoca el movimiento de un espejo suspendido dentro del analizador que luego cambia la cantidad de luz reflejada por ese espejo en una fotocélula. La cantidad de corriente necesaria para mover el espejo de regreso al centro es proporcional a la concentración de O 2 . Se requiere la capacidad de medir el % de oxígeno en la muestra para realizar los cálculos requeridos.
La precisión del sistema se demuestra de varias maneras. Se logra un control interno de garantía de calidad mediante la introducción diaria de una concentración certificada de gas en la sonda de muestra. Luego, la medición del CEMS se compara con la concentración conocida para llegar a un porcentaje de error de calibración. También se toma y compara una lectura de gas cero. Si el % de error de calibración excede 2 veces la especificación de rendimiento durante 5 días consecutivos o 4 veces la especificación de rendimiento en 24 horas, el CEMS se considera fuera de control, lo que significa que no se puede confiar en que los datos sean precisos hasta que vuelvan a estar bajo control. La sustitución de datos se utilizará para periodos fuera de control. El método de sustitución de datos generalmente no es ventajoso, por lo que es fundamental recuperar el control del CEMS lo antes posible.
La EPA también permite el uso de sistemas de calibración de monitoreo continuo de emisiones que diluyen gases para generar estándares de calibración. [7] La lectura del analizador debe tener una precisión de un porcentaje determinado. El porcentaje de precisión puede variar, pero la mayoría se sitúa entre el 2,5% y el 5%. En las centrales afectadas por el Programa de Lluvia Ácida, la certificación anual (o semestral) del sistema debe ser realizada por una empresa independiente. La empresa contará temporalmente con un sistema CEM independiente para recopilar datos de emisiones en paralelo con el CEMS de la planta. Esta prueba se conoce como Auditoría de prueba de precisión relativa (RATA).
En los EE. UU., se deben informar y registrar evaluaciones periódicas del equipo. [5] Esto incluye pruebas de error de calibración diarias, pruebas de interferencia diarias para monitores de flujo y pruebas de polarización y RATA semestrales (o anuales). [8] El equipo CEMS es caro y no siempre asequible para una instalación. En tales casos, una instalación instalará equipos de análisis que no cumplan con los requisitos de la EPA en el punto de emisión. Una vez al año, para la evaluación del equipo, una empresa móvil de CEMS mide las emisiones con equipos compatibles. Luego, los resultados se comparan con el sistema analizador no compatible. [9]