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Tecnologie negli strumenti di misura delle emissioni –
Principi di misura & progettazione del sistema
Gli strumenti di misura delle emissioni combinano principi di misura fisici come la tecnologia di sensori NDIR ed elettrochimica con un sistema di campionamento e condizionamento del gas adattato all'applicazione, per determinare in modo affidabile componenti gassosi come CO, CO2, NOx o SO2 in mg/m3 o % vol. La scelta della tecnologia giusta determina se i valori misurati sono stabili, conformi alle norme e in grado di funzionare a lungo termine in condizioni operative reali.
Misurazione NDIR – tecnologia a infrarossi per l'analisi dei gas
La misurazione a infrarossi non dispersiva (NDIR) è una delle tecnologie più importanti nella tecnica di misura delle emissioni. Si basa sul fatto che determinati gas – come CO, CO2 o NO – assorbono la radiazione infrarossa in intervalli di lunghezza d'onda caratteristici. Un analizzatore NDIR invia luce infrarossa attraverso una cella di misura riempita con il gas da analizzare e misura l'attenuazione della luce. La concentrazione del gas viene calcolata da questa attenuazione secondo la legge di Beer-Lambert.
I percorsi di misura NDIR si caratterizzano per un'elevata stabilità a lungo termine e selettività per componenti specifici. Vengono frequentemente utilizzati per misurazioni continue delle emissioni, dove devono essere coperti intervalli di misura che si estendono su diversi ordini di grandezza (ad es. da pochi mg/m³ all'intervallo g/m³). In molti sistemi CEMS, diversi canali NDIR vengono utilizzati in parallelo per rilevare contemporaneamente diversi componenti.
Vantaggi e limiti della tecnologia NDIR
I vantaggi delle misurazioni NDIR includono:
elevata stabilità a lungo termine e bassa deriva,
buona selettività per determinati gas,
idoneità per misurazioni continue con brevi tempi di aggiornamento.
I limiti si manifestano dove i gas non hanno un assorbimento IR pronunciato o dove le sensibilità incrociate tra bande di assorbimento simili devono essere attentamente compensate. Inoltre, le misurazioni NDIR richiedono una temperatura stabile e una pressione definita nel sistema di misura affinché la conversione in mg/m3 nelle condizioni normali venga eseguita correttamente.
Sensori elettrochimici e paramagnetici
I sensori elettrochimici vengono frequentemente utilizzati per la misura di O2, NO, NO2, SO2 o CO negli strumenti di misura delle emissioni. Un sensore elettrochimico è composto da una cella di misura con elettrolita ed elettrodi. Il gas da misurare diffonde nella cella, reagisce elettrochimicamente e genera una corrente proporzionale alla concentrazione di gas. I sensori elettrochimici sono compatti, relativamente economici e particolarmente adatti agli strumenti di misura delle emissioni mobili.
I sensori paramagnetici vengono utilizzati in particolare per misurazioni precise di O2. Sfruttano il fatto che l'ossigeno è paramagnetico, cioè attratto da un campo magnetico, mentre la maggior parte degli altri gas è diamagnetica. In un sensore O2 paramagnetico, una variazione della concentrazione di O2 nel gas di misura porta a un movimento misurabile o a una variazione di forza in un campo magnetico. Questa variazione viene rilevata elettricamente e convertita in una concentrazione di O2.
Per gli utenti sorgono domande come: quando è sufficiente un sensore elettrochimico e quando è consigliabile un sensore paramagnetico? La risposta dipende dai requisiti di accuratezza, stabilità a lungo termine e sforzo di manutenzione. Negli strumenti mobili, i sensori elettrochimici offrono un buon compromesso tra precisione e facilità d'uso. Nei sistemi stazionari con elevate esigenze di accuratezza e disponibilità, i sensori O2 paramagnetici possono offrire vantaggi.
Campionamento, linee riscaldate e condizionamento del gas
Affinché i sensori o i percorsi di misura forniscano risultati affidabili, il gas di combustione deve essere correttamente estratto e condizionato prima dell'analisi vera e propria. Una tipica catena di misura delle emissioni comprende quindi:
una sonda di estrazione riscaldata nel flusso di gas di combustione,
una linea di campionamento riscaldata,
filtri e separatori di particelle,
moduli di condizionamento del gas (ad es. refrigeratori, trappole per condensato),
monitoraggio del flusso e, se necessario, pompe.
La sonda di estrazione riscaldata garantisce che i componenti condensabili non si depositino già nella sonda e non falsifichino i valori misurati. Le linee di campionamento riscaldate impediscono la condensazione fino alla fase di condizionamento del gas. Nella fase di condizionamento del gas, il gas di combustione viene portato a condizioni definite – ad esempio mediante essiccazione a un livello specifico di umidità residua o mediante separazione di polveri e aerosol. Solo allora il gas condizionato raggiunge gli analizzatori.
Componenti tipici di un sistema di condizionamento del gas
Un sistema standard di condizionamento del gas per le misurazioni continue delle emissioni comprende spesso:
prefiltri per la separazione delle particelle grossolane,
scrubber di gas o unità di essiccazione per ridurre l'umidità,
filtri fini per la rimozione delle particelle residue,
dispositivi di monitoraggio per il flusso e il condensato.
La progettazione del sistema di condizionamento del gas dipende fortemente dall'applicazione. Nei processi ad alta intensità di polvere (ad es. forni per cemento), i filtri e le sonde devono essere particolarmente robusti e facili da manutenere. Nei gas di combustione umidi contenenti zolfo, la scelta appropriata dei materiali è fondamentale per evitare corrosione ed errori di misura.
Selezione del sistema: sistemi di misura delle emissioni mobili vs. stazionari
Dal punto di vista tecnologico, i sistemi di misura delle emissioni mobili e stazionari differiscono principalmente nella progettazione del campionamento, del condizionamento del gas e della tecnologia degli analizzatori. Gli strumenti mobili combinano frequentemente sensori elettrochimici e percorsi di misura NDIR compatti in un alloggiamento portatile ottimizzato per l'uso in siti di misura variabili. I sistemi stazionari, invece, sono progettati per il funzionamento continuo in un sito di misura fisso e dispongono di condizionamento del gas esteso, controlli automatici dello zero e dello span e dispositivi di monitoraggio continuo.
La decisione tra tecnologia mobile e stazionaria dipende da domande come queste:
Si tratta di controlli ricorrenti o di un monitoraggio continuo richiesto dalla legge?
Quanti siti di misura devono essere monitorati e quanto sono accessibili?
Quali requisiti di accuratezza e disponibilità si applicano?
Gli strumenti di misura delle emissioni mobili sono idealmente adatti per i tecnici di servizio, le messe in servizio o le misurazioni di campagna su più impianti. I sistemi stazionari sono la prima scelta quando i valori limite devono essere monitorati in modo permanente e sono in vigore i requisiti corrispondenti.
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