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Tecnologías en los instrumentos de medición de emisiones –
Principios de medición & diseño del sistema
Los instrumentos de medición de emisiones combinan principios de medición físicos como la tecnología de sensores NDIR y electroquímica con un sistema de toma de muestras y acondicionamiento de gas adaptado a la aplicación, para determinar de forma fiable componentes gaseosos como CO, CO2, NOx o SO2 en mg/m3 o % vol. La elección de la tecnología adecuada determina si los valores medidos son estables, conformes con las normas y capaces de operar a largo plazo en condiciones de funcionamiento reales.
Medición NDIR – tecnología infrarroja para el análisis de gases
La medición infrarroja no dispersiva (NDIR) es una de las tecnologías más importantes en la técnica de medición de emisiones. Se basa en el hecho de que determinados gases – como CO, CO2 o NO – absorben radiación infrarroja en rangos de longitud de onda característicos. Un analizador NDIR envía luz infrarroja a través de una celda de medición llena del gas a analizar y mide la atenuación de la luz. La concentración de gas se calcula a partir de esta atenuación mediante la ley de Beer-Lambert.
Las trayectorias de medición NDIR se caracterizan por una alta estabilidad a largo plazo y selectividad para componentes específicos. Se utilizan frecuentemente para mediciones de emisiones continuas, donde deben cubrirse rangos de medición que abarcan varios órdenes de magnitud (p. ej. desde unos pocos mg/m³ hasta el rango de g/m³). En muchos sistemas CEMS, varios canales NDIR se utilizan en paralelo para detectar simultáneamente diferentes componentes.
Ventajas y limitaciones de la tecnología NDIR
Las ventajas de las mediciones NDIR incluyen:
alta estabilidad a largo plazo y baja deriva,
buena selectividad para determinados gases,
idoneidad para mediciones continuas con tiempos de actualización cortos.
Las limitaciones surgen donde los gases no tienen una absorción IR pronunciada o donde las sensibilidades cruzadas entre bandas de absorción similares deben compensarse cuidadosamente. Además, las mediciones NDIR requieren una temperatura estable y una presión definida en el sistema de medición para que la conversión a mg/m3 en condiciones normalizadas se realice correctamente.
Sensores electroquímicos y paramagnéticos
Los sensores electroquímicos se utilizan frecuentemente para la medición de O2, NO, NO2, SO2 o CO en instrumentos de medición de emisiones. Un sensor electroquímico consta de una celda de medición con electrolito y electrodos. El gas a medir difunde en la celda, reacciona electroquímicamente y genera una corriente proporcional a la concentración de gas. Los sensores electroquímicos son compactos, comparativamente económicos y especialmente adecuados para instrumentos de medición de emisiones móviles.
Los sensores paramagnéticos se utilizan en particular para mediciones precisas de O2. Aprovechan el hecho de que el oxígeno es paramagnético, es decir, atraído por un campo magnético, mientras que la mayoría de los demás gases son diamagnéticos. En un sensor O2 paramagnético, un cambio en la concentración de O2 en el gas de medición conduce a un movimiento medible o un cambio de fuerza en un campo magnético. Este cambio se detecta eléctricamente y se convierte en una concentración de O2.
Para los usuarios surgen preguntas como: ¿cuándo es suficiente un sensor electroquímico y cuándo es conveniente un sensor paramagnético? La respuesta depende de los requisitos de precisión, estabilidad a largo plazo y esfuerzo de mantenimiento. En los instrumentos móviles, los sensores electroquímicos ofrecen un buen compromiso entre precisión y facilidad de uso. En los sistemas estacionarios con altas exigencias de precisión y disponibilidad, los sensores O2 paramagnéticos pueden ofrecer ventajas.
Toma de muestras, líneas calefactadas y acondicionamiento de gas
Para que los sensores o las trayectorias de medición proporcionen resultados fiables, el gas de combustión debe extraerse y acondicionarse correctamente antes del análisis propiamente dicho. Una cadena de medición de emisiones típica incluye por tanto:
una sonda de extracción calefactada en el flujo de gas de combustión,
una línea de muestra calefactada,
filtros y separadores de partículas,
módulos de acondicionamiento de gas (p. ej. enfriadores, trampas de condensado),
monitorización del caudal y, si es necesario, bombas.
La sonda de extracción calefactada garantiza que los componentes condensables no se depositen ya en la sonda y falsifiquen los valores medidos. Las líneas de muestra calefactadas evitan la condensación hasta la etapa de acondicionamiento del gas. En la etapa de acondicionamiento del gas, el gas de combustión se lleva a condiciones definidas – por ejemplo, mediante secado hasta un nivel de humedad residual específico o mediante la separación de polvo y aerosoles. Solo entonces el gas acondicionado llega a los analizadores.
Componentes típicos de un sistema de acondicionamiento de gas
Un sistema estándar de acondicionamiento de gas para mediciones de emisiones continuas incluye frecuentemente:
prefiltros para la separación de partículas gruesas,
lavadores de gas o unidades de secado para reducir la humedad,
filtros finos para la eliminación de partículas residuales,
dispositivos de monitorización para el caudal y el condensado.
El diseño del sistema de acondicionamiento de gas depende en gran medida de la aplicación. En procesos con alta concentración de polvo (p. ej. hornos de cemento), los filtros y las sondas deben ser especialmente robustos y fáciles de mantener. En gases de combustión húmedos con contenido de azufre, la elección adecuada de materiales es fundamental para evitar la corrosión y los errores de medición.
Selección del sistema: sistemas de medición de emisiones móviles vs. estacionarios
Desde un punto de vista tecnológico, los sistemas de medición de emisiones móviles y estacionarios difieren principalmente en el diseño de la toma de muestras, el acondicionamiento de gas y la tecnología de análisis. Los instrumentos móviles combinan frecuentemente sensores electroquímicos y trayectorias de medición NDIR compactas en una carcasa portátil optimizada para su uso en ubicaciones de medición cambiantes. Los sistemas estacionarios, por otro lado, están diseñados para el funcionamiento continuo en una ubicación de medición fija y cuentan con acondicionamiento de gas extendido, verificaciones automáticas de cero y span, y dispositivos de monitorización continua.
La decisión entre tecnología móvil y estacionaria depende de preguntas como estas:
¿Se trata de controles recurrentes o de una monitorización continua legalmente requerida?
¿Cuántos puntos de medición deben monitorizarse y qué tan accesibles son?
¿Qué requisitos de precisión y disponibilidad se aplican?
Los instrumentos de medición de emisiones móviles son ideales para técnicos de servicio, puestas en marcha o mediciones de campaña en múltiples instalaciones. Los sistemas estacionarios son la primera opción cuando los valores límite deben monitorizarse de forma permanente y existen los requisitos correspondientes.
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