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Tecnologias em instrumentos de medição de emissões –
Princípios de medição & projeto do sistema
Os instrumentos de medição de emissões combinam princípios de medição físicos, como a tecnologia de sensores NDIR e eletroquímica, com um sistema de amostragem e condicionamento de gás adaptado à aplicação, para determinar de forma confiável componentes gasosos como CO, CO2, NOx ou SO2 em mg/m3 ou % vol. A escolha da tecnologia certa determina se os valores medidos são estáveis, conformes com as normas e capazes de operação a longo prazo em condições reais de operação.
Medição NDIR – tecnologia infravermelha para análise de gases
A medição infravermelha não dispersiva (NDIR) é uma das tecnologias mais importantes na técnica de medição de emissões. Baseia-se no fato de que determinados gases – como CO, CO2 ou NO – absorvem radiação infravermelha em faixas de comprimento de onda características. Um analisador NDIR envia luz infravermelha através de uma célula de medição preenchida com o gás a ser analisado e mede a atenuação da luz. A concentração de gás é calculada a partir dessa atenuação usando a lei de Beer-Lambert.
Os caminhos de medição NDIR são caracterizados por alta estabilidade a longo prazo e seletividade para componentes específicos. São frequentemente usados para medições contínuas de emissões, onde faixas de medição que abrangem várias ordens de grandeza (p. ex. de alguns mg/m³ até a faixa de g/m³) devem ser cobertas. Em muitos sistemas CEMS, vários canais NDIR são usados em paralelo para detectar diferentes componentes simultaneamente.
Vantagens e limitações da tecnologia NDIR
As vantagens das medições NDIR incluem:
alta estabilidade a longo prazo e baixa deriva,
boa seletividade para determinados gases,
adequação para medições contínuas com curtos tempos de atualização.
As limitações surgem onde os gases não têm absorção IR pronunciada ou onde as sensibilidades cruzadas entre bandas de absorção semelhantes devem ser cuidadosamente compensadas. Além disso, as medições NDIR requerem uma temperatura estável e uma pressão definida no sistema de medição para que a conversão para mg/m3 nas condições normais seja realizada corretamente.
Sensores eletroquímicos e paramagnéticos
Os sensores eletroquímicos são frequentemente utilizados para a medição de O2, NO, NO2, SO2 ou CO em instrumentos de medição de emissões. Um sensor eletroquímico consiste em uma célula de medição com eletrólito e eletrodos. O gás a ser medido difunde-se na célula, reage eletroquimicamente e gera uma corrente proporcional à concentração de gás. Os sensores eletroquímicos são compactos, comparativamente econômicos e particularmente adequados para instrumentos de medição de emissões móveis.
Os sensores paramagnéticos são usados em particular para medições precisas de O2. Eles exploram o fato de que o oxigênio é paramagnético, ou seja, atraído por um campo magnético, enquanto a maioria dos outros gases é diamagnética. Em um sensor O2 paramagnético, uma mudança na concentração de O2 no gás de medição leva a um movimento mensurável ou mudança de força em um campo magnético. Essa mudança é detectada eletricamente e convertida em uma concentração de O2.
Para os usuários, surgem perguntas como: quando um sensor eletroquímico é suficiente e quando um sensor paramagnético é aconselhável? A resposta depende dos requisitos de precisão, estabilidade a longo prazo e esforço de manutenção. Em instrumentos móveis, os sensores eletroquímicos oferecem um bom compromisso entre precisão e facilidade de uso. Em sistemas estacionários com altas exigências de precisão e disponibilidade, os sensores O2 paramagnéticos podem oferecer vantagens.
Amostragem, linhas aquecidas e condicionamento de gás
Para que os sensores ou os caminhos de medição forneçam resultados confiáveis, o gás de combustão deve ser corretamente extraído e condicionado antes da análise propriamente dita. Uma cadeia de medição de emissões típica inclui, portanto:
uma sonda de extração aquecida no fluxo de gás de combustão,
uma linha de amostragem aquecida,
filtros e separadores de partículas,
módulos de condicionamento de gás (p. ex. resfriadores, armadilhas de condensado),
monitoramento de fluxo e, se necessário, bombas.
A sonda de extração aquecida garante que os componentes condensáveis não se depositem já na sonda e falsifiquem os valores medidos. As linhas de amostragem aquecidas evitam a condensação até a etapa de condicionamento do gás. Na etapa de condicionamento do gás, o gás de combustão é levado a condições definidas – por exemplo, por secagem a um nível específico de umidade residual ou por separação de poeira e aerossóis. Somente então o gás condicionado chega aos analisadores.
Componentes típicos de um sistema de condicionamento de gás
Um sistema padrão de condicionamento de gás para medições contínuas de emissões frequentemente inclui:
pré-filtros para separação de partículas grossas,
lavadores de gás ou unidades de secagem para reduzir a umidade,
filtros finos para remoção de partículas residuais,
dispositivos de monitoramento para fluxo e condensado.
O projeto do sistema de condicionamento de gás depende muito da aplicação. Em processos com alta concentração de poeira (p. ex. fornos de cimento), os filtros e as sondas devem ser particularmente robustos e fáceis de manter. Em gases de combustão úmidos com teor de enxofre, a escolha adequada de materiais é fundamental para evitar corrosão e erros de medição.
Seleção do sistema: sistemas de medição de emissões móveis vs. estacionários
Do ponto de vista tecnológico, os sistemas de medição de emissões móveis e estacionários diferem principalmente no design da amostragem, condicionamento de gás e tecnologia do analisador. Os instrumentos móveis frequentemente combinam sensores eletroquímicos e caminhos de medição NDIR compactos em uma carcaça portátil otimizada para uso em locais de medição variáveis. Os sistemas estacionários, por outro lado, são projetados para operação contínua em um local de medição fixo e possuem condicionamento de gás estendido, verificações automáticas de zero e span e dispositivos de monitoramento contínuo.
A decisão entre tecnologia móvel e estacionária depende de perguntas como estas:
Trata-se de verificações recorrentes ou de monitoramento contínuo legalmente exigido?
Quantos locais de medição precisam ser monitorados e quão acessíveis são?
Quais requisitos de precisão e disponibilidade se aplicam?
Os instrumentos de medição de emissões móveis são idealmente adequados para técnicos de serviço, comissionamentos ou medições de campanha em múltiplas instalações. Os sistemas estacionários são a primeira escolha quando os valores-limite devem ser monitorados permanentemente e os requisitos correspondentes estão em vigor.
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