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Technologies dans les appareils de mesure des émissions –
Principes de mesure & conception du système
Les appareils de mesure des émissions combinent des principes de mesure physiques tels que la technologie de capteurs NDIR et électrochimiques avec un système de prélèvement et de conditionnement de gaz adapté à l'application, afin de déterminer de manière fiable des composants gazeux tels que CO, CO2, NOx ou SO2 en mg/m3 ou % vol. Le choix de la bonne technologie détermine si les valeurs mesurées sont stables, conformes aux normes et capables de fonctionner à long terme dans des conditions d'exploitation réelles.
Mesure NDIR – technologie infrarouge pour l'analyse des gaz
La mesure infrarouge non dispersive (NDIR) est l'une des technologies les plus importantes dans la technique de mesure des émissions. Elle repose sur le fait que certains gaz – tels que CO, CO2 ou NO – absorbent le rayonnement infrarouge dans des plages de longueurs d'onde caractéristiques. Un analyseur NDIR envoie de la lumière infrarouge à travers une cellule de mesure remplie du gaz à analyser et mesure l'atténuation de la lumière. La concentration en gaz est calculée à partir de cette atténuation selon la loi de Beer-Lambert.
Les voies de mesure NDIR se caractérisent par une haute stabilité à long terme et une sélectivité pour des composants spécifiques. Elles sont fréquemment utilisées pour les mesures d'émissions continues, où des plages de mesure couvrant plusieurs ordres de grandeur (p. ex. de quelques mg/m³ à la plage g/m³) doivent être couvertes. Dans de nombreux systèmes CEMS, plusieurs canaux NDIR sont utilisés en parallèle pour détecter simultanément différents composants.
Avantages et limites de la technologie NDIR
Les avantages des mesures NDIR comprennent :
une haute stabilité à long terme et une faible dérive,
une bonne sélectivité pour certains gaz,
une aptitude aux mesures continues avec de courts temps de mise à jour.
Des limites apparaissent là où les gaz ne présentent pas d'absorption IR prononcée ou là où les sensibilités croisées entre des bandes d'absorption similaires doivent être soigneusement compensées. De plus, les mesures NDIR nécessitent une température stable et une pression définie dans le système de mesure afin que la conversion en mg/m3 dans les conditions normales soit effectuée correctement.
Capteurs électrochimiques et paramagnétiques
Les capteurs électrochimiques sont fréquemment utilisés pour la mesure de O2, NO, NO2, SO2 ou CO dans les appareils de mesure des émissions. Un capteur électrochimique se compose d'une cellule de mesure avec électrolyte et électrodes. Le gaz à mesurer diffuse dans la cellule, réagit électrochimiquement et génère un courant proportionnel à la concentration en gaz. Les capteurs électrochimiques sont compacts, relativement économiques et particulièrement adaptés aux appareils de mesure des émissions mobiles.
Les capteurs paramagnétiques sont utilisés notamment pour des mesures précises de O2. Ils exploitent le fait que l'oxygène est paramagnétique, c'est-à-dire attiré par un champ magnétique, tandis que la plupart des autres gaz sont diamagnétiques. Dans un capteur O2 paramagnétique, une variation de la concentration en O2 dans le gaz de mesure entraîne un mouvement mesurable ou une variation de force dans un champ magnétique. Cette variation est détectée électriquement et convertie en une concentration en O2.
Pour les utilisateurs, des questions se posent telles que : quand un capteur électrochimique est-il suffisant, et quand un capteur paramagnétique est-il judicieux ? La réponse dépend des exigences en matière de précision, de stabilité à long terme et d'effort de maintenance. Dans les appareils mobiles, les capteurs électrochimiques offrent un bon compromis entre précision et facilité d'utilisation. Dans les systèmes stationnaires avec des exigences élevées en matière de précision et de disponibilité, les capteurs O2 paramagnétiques peuvent offrir des avantages.
Prélèvement, conduites chauffées et conditionnement de gaz
Pour que les capteurs ou les voies de mesure fournissent des résultats fiables, le gaz de combustion doit être correctement prélevé et conditionné avant l'analyse proprement dite. Une chaîne de mesure des émissions typique comprend donc :
une sonde de prélèvement chauffée dans le flux de gaz de combustion,
une ligne de prélèvement chauffée,
des filtres et des séparateurs de particules,
des modules de conditionnement de gaz (p. ex. refroidisseurs, pièges à condensat),
une surveillance du débit et, si nécessaire, des pompes.
La sonde de prélèvement chauffée garantit que les composants condensables ne se déposent pas déjà dans la sonde et ne faussent pas les valeurs mesurées. Les lignes de prélèvement chauffées empêchent la condensation jusqu'à l'étape de conditionnement du gaz. Dans l'étape de conditionnement du gaz, le gaz de combustion est amené à des conditions définies – par exemple par séchage à un niveau d'humidité résiduelle spécifique ou par séparation des poussières et des aérosols. Ce n'est qu'ensuite que le gaz conditionné atteint les analyseurs.
Composants typiques d'un système de conditionnement de gaz
Un système standard de conditionnement de gaz pour les mesures d'émissions continues comprend souvent :
des préfiltres pour la séparation des grosses particules,
des épurateurs de gaz ou des unités de séchage pour réduire l'humidité,
des filtres fins pour l'élimination des particules résiduelles,
des dispositifs de surveillance du débit et du condensat.
La conception du système de conditionnement de gaz dépend fortement de l'application. Dans les procédés à forte teneur en poussières (p. ex. fours à ciment), les filtres et les sondes doivent être particulièrement robustes et faciles à entretenir. Dans les gaz de combustion humides contenant du soufre, le choix approprié des matériaux est crucial pour éviter la corrosion et les erreurs de mesure.
Sélection du système : systèmes de mesure des émissions mobiles vs. stationnaires
D'un point de vue technologique, les systèmes de mesure des émissions mobiles et stationnaires diffèrent principalement dans la conception du prélèvement, du conditionnement de gaz et de la technologie d'analyse. Les appareils mobiles combinent fréquemment des capteurs électrochimiques et des voies de mesure NDIR compactes dans un boîtier portable optimisé pour une utilisation sur des sites de mesure variables. Les systèmes stationnaires, en revanche, sont conçus pour un fonctionnement continu sur un site de mesure fixe et disposent d'un conditionnement de gaz étendu, de vérifications automatiques du zéro et de l'étendue, ainsi que de dispositifs de surveillance continue.
Le choix entre la technologie mobile et stationnaire dépend de questions telles que :
S'agit-il de contrôles récurrents ou d'une surveillance continue requise par la loi ?
Combien de sites de mesure doivent être surveillés et dans quelle mesure sont-ils accessibles ?
Quelles exigences de précision et de disponibilité s'appliquent ?
Les appareils de mesure des émissions mobiles sont idéalement adaptés aux techniciens de service, aux mises en service ou aux mesures de campagne sur plusieurs installations. Les systèmes stationnaires sont le premier choix lorsque les valeurs limites doivent être surveillées en permanence et que des exigences correspondantes sont en place.
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