Sistema de monitoreo continuo de emisiones

Los sistemas de monitoreo continuo de emisiones ( CEMS ) se utilizan como herramienta para monitorear los flujos de gases de escape resultantes de la combustión en procesos industriales. Los CEMS pueden medir el oxígeno , el monóxido de carbono y el dióxido de carbono en los gases de combustión para proporcionar información para el control de la combustión en entornos industriales. ^{[ 1 ] [ 2 ]} También se utilizan como medio para cumplir con las normas de emisiones atmosféricas, como el Programa de Lluvia Ácida de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) , ^{[ 3 ]} otros programas federales de emisiones de EE. UU. o las normas de emisiones permitidas por los estados. Los sistemas CEMS suelen constar de analizadores para medir las concentraciones de gas en la corriente, equipos para dirigir una muestra de dicha corriente a los analizadores si estos se encuentran a distancia, equipos para acondicionar el gas de muestra eliminando el agua y otros componentes que podrían interferir con la lectura, tuberías neumáticas con válvulas 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 muestreo, y un sistema de adquisición y procesamiento de datos (DAHS) que recopila y almacena cada punto de datos y puede realizar los cálculos necesarios para obtener las emisiones totales de masa. Un sistema CEMS opera en todo momento, incluso si el proceso que mide no está en marcha. Puede recopilar, registrar e informar continuamente datos de emisiones para el monitoreo del proceso y/o para fines de cumplimiento normativo.

El sistema CEM estándar consta de una sonda de muestreo, un filtro , una línea de muestreo ( umbilical ), un sistema de acondicionamiento de gases, un sistema de gases de calibración y una serie de analizadores de gases que reflejan los parámetros que se están monitorizando. Las emisiones monitorizadas típicas incluyen: dióxido de azufre , óxidos de nitrógeno , monóxido de carbono , dióxido de carbono , cloruro de hidrógeno , material particulado en suspensión , 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 monitorización que mide material particulado se denomina PEMS.

En EE. UU., la EPA exige un sistema de adquisición y procesamiento de datos para recopilar e informar los datos. Las mediciones de concentración se pueden convertir a masa/hora incluyendo las mediciones de caudal. Los tipos de gases que se miden y los cálculos necesarios dependen del tipo de fuente, y cada tipo de fuente tiene su propia subparte en 40 CFR parte 60 y parte 75. ^{[ 4 ]} SO_{Las emisiones de SO2} se miden en libras por hora utilizando unSO2.₂ monitoresde concentración de contaminantesNO _x ,se utilizan tanto un monitor de concentración de contaminantes_x³, kg/kWh o kg/m³). A veces se requieren mediciones de opacidad, dependiendo del tipo de fuente.de CO₂a veces es un requisito; sin embargo, si se monitorea, se debe utilizar unde CO₂u oxígeno más un monitor de flujo. El DAHS debe poder recopilar, registrar y almacenar datos, generalmente a intervalos de 1 minuto. Para fines de cumplimiento, un DAHS debe estar en operación continua 24/7/365 incluso cuando no hay 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 por hora. ^{[ 5 ]}

Una pequeña muestra de gases de combustión se extrae, mediante una bomba , al sistema CEM a través de una sonda de muestreo. 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 que suele oscilar entre 50:1 y 200:1, aunque normalmente es de 100:1. La dilución se utiliza porque los gases de combustión puros pueden estar calientes, húmedos y, con algunos contaminantes, ser pegajosos. Una vez diluida a la proporción adecuada, la muestra se transporta a través de una línea de muestreo (normalmente denominada umbilical) a un colector del que los analizadores individuales pueden extraer una muestra. Los analizadores de gases emplean diversas técnicas para medir con precisión las concentraciones. Algunas técnicas de uso común incluyen: absorción infrarroja y ultravioleta , quimioluminiscencia , fluorescencia y absorción de rayos beta . Tras el análisis , el gas sale del analizador hacia un colector común para todos los analizadores, desde donde se ventila al exterior. Un sistema de adquisición y procesamiento 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 de servicios públicos con bajas tasas de emisión se conoce comúnmente como extracción en seco, extracción en caliente o CEMS directa. La muestra no se diluye, sino que se transporta a alta temperatura a través de una línea de muestreo calentada hasta una unidad de acondicionamiento de muestras. La muestra se filtra para eliminar partículas y se seca, generalmente con un enfriador , para eliminar la humedad . Una vez acondicionada, la muestra entra en un colector de muestreo y se mide con varios analizadores de gases, típicamente NO _x y O ₂ (y a veces CO) para turbinas de combustión y motores que funcionan con gas natural o diésel. Los analizadores de NO _x suelen funcionar mediante quimioluminiscencia . Los analizadores de O ₂ utilizan un campo magnético que atrae el O ₂ para medir su concentración. El O ₂ provoca el movimiento de un espejo suspendido dentro del analizador, lo que a su vez cambia la cantidad de luz reflejada por ese espejo hacia una fotocélula. La cantidad de corriente necesaria para mover el espejo de vuelta al centro es proporcional a la concentración de O _2. Se requiere la capacidad de medir el porcentaje de oxígeno en la muestra para realizar los cálculos necesarios. 

La precisión del sistema se demuestra de varias maneras. Se realiza una verificación interna de control de calidad mediante la introducción diaria de una concentración certificada de gas en la sonda de muestreo. La medición del CEMS se compara con la concentración conocida para obtener un porcentaje de error de calibración. También se toma una lectura de gas cero y se compara. Si el porcentaje de error de calibración supera el doble de la especificación de rendimiento durante 5 días consecutivos o el cuádruple de la especificación de rendimiento en 24 horas, el CEMS se considera fuera de control, lo que significa que no se puede confiar en la precisión de los datos hasta que se restablezca el control. Se utilizará la sustitución de datos para los períodos fuera de control. El método de sustitución de datos generalmente no es ventajoso, por lo que es fundamental restablecer 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 cierto porcentaje. La precisión porcentual puede variar, pero generalmente se encuentra entre el 2,5 % y el 5 %. En las centrales eléctricas afectadas por el Programa de Lluvia Ácida, una empresa independiente debe realizar la certificación anual (o bianual) del sistema. La empresa contará temporalmente con un sistema CEM independiente para recopilar datos de emisiones en paralelo con el sistema CEMS de la planta. Esta prueba se denomina Auditoría de Prueba de Precisión Relativa (RATA).

En EE. UU., se deben informar y registrar evaluaciones periódicas del equipo. ^{[ 5 ]} Esto incluye pruebas diarias de error de calibración, pruebas diarias de interferencia para monitores de flujo y pruebas semestrales (o anuales) de RATA y sesgo. ^{[ 8 ]} El equipo CEMS es costoso y no siempre asequible para una instalación. En tales casos, una instalación instalará equipo de análisis que no cumple con la EPA en el punto de emisión. Una vez al año, para la evaluación del equipo, una empresa CEMS móvil mide las emisiones con equipo que cumple con la normativa. Los resultados se comparan luego con el sistema analizador que no cumple con la normativa. ^{[ 9 ] [ 10 ]}