Tecnologia CEMS

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Tecnologias Emergentes

Um sistema de medição contínuo classificado como CEMS deve operar de forma ininterrupta para manter o monitoramento durante 24 horas/dia, com disponibilidade superior a 95%. Ele é utilizado para monitorar de forma confiável a quantidade de gases, vapores e partículas emitidas em instalações fixas industriais, de forma a atender 4 objetivos básicos:

  1. Satisfazer as exigências da legislação.
  2. Servir de base ao mercado de créditos de carbono.
  3. Documentar as evidências de emissão.
  4. Otimizar a operação da planta.

 O técnico nomeado com a responsabilidade de manter o CEMS operacional tem a missão de fazê-lo dentro dos níveis de expectativa definidos pelas regulamentações vigentes. Os Sistemas de Monitoramento Contínuos de Emissões são distintos de analisadores de processo, uma vez que fatores técnicos e auditorias de certificação afetam a operação e a manutenção.  Os turnos da manutenção devem ser adequados; a manutenção preventiva e corretiva deve ser documentado; e devem ser administradas auditorias de desempenho, registradas em relatórios com os eventos identificados com data e hora.

Segundo a certificação USEPA, uma diferença entre CEMS e analisadores de processo é que no caso de CEMS a certificação exige acompanhamento diário das calibrações, isso é justificável pela necessidade de calcular com segurança os dados de emissões, por envolverem aspectos de poluição e saúde impactadas pela produção que podem levar a multas. Além disso nos programas de comércio de créditos do carbono (RCE-GEE), erros de ppm podem levar a prejuízos  elevados.

Segundo a norma EPA, deve ser feito um Plano de Garantia de Qualidade (QAP) para o todo CEMS. Cada QAP tem que incluir no mínimo um plano completo escrito que descreve em detalhes, passo por passo procedimentos e operações para cada uma das atividades. O QAP tem o objetivo de avaliar a qualidade e precisão dos dados do CEMS, controlar e melhorar a qualidade doa dados, implementando uma política de controle de qualidade (QC) e ações corretivas.

Problemas Comuns em CEMS.

Segundo a instituição americana EPRI, com 20 anos de experiência no uso de CEMS, os problemas mais comuns são:

  • Conviver com prazos de entrega longos (4 a 12 semanas nos US) e a dificuldade em manter peças sobressalentes adequadas.
  • O sistema de diluição (utilizado em termoelétricas nos US) pode apresentar problemas no condicionamento do ar de diluição que altera a relação de diluição e leva a erros nas medições do CEMS.
  • Com o uso freqüente, as válvulas solenóides também apresentam problemas de vedação e vazamento, devido a corrosão por formação de umidade ácida. Recomenda-se anualmente fazer inspeções, limpeza e troca de assentamento para diminuir as falhas nas válvulas.
  • Os sistemas de aquisição DAHS também apresentam muitos problemas de configuração e confiabilidade.

Testes de Desempenho (EPRI/EPA)

O EPRI indica os testes abaixo para avaliar o desempenho do CEMS em termoelétricas americanas:

  • Teste  de Auditoria de Precisão Relativa (RATA).
  • Teste de Precisão Relativos abreviados (comparativo).
  • Teste de Linearidade e Calibração do sistema (probe).
  • Auditoria  com Filtro externo no Opacímetro.
  • Teste do Monitor de Vazão X Carga
  • Teste de Vazão do Combustível X Carga (>25%).
  • Balanço de Massa / Correlações Preditiva de Monitoramento do Sistema.

 Teste RATA

Teste de Precisão Relativa é o teste principal exigido pelo EPA. A auditoria de performance RATA, é uma medição quantitativa que provê uma avaliação independente o sistema de monitoramento. O objetivo é testar se o sistema continua dentro da especificação original certificada, independente das calibrações diárias e alarmes de falhas.

O RATA é uma avaliação comparativa do CEMS com um outro método de análise tido como referência. A amostra é extraída, tratada e encaminhada para análise por um método independente. O escopo do teste é a repetição dos testes de certificação, acrescido de alguns outros testes como filtros do medidor de opacidade ou particulado e medidor de vazão com método isocinético.

A figura abaixo representa a interligação de amostragem para o teste RATA:

 Padrões de Calibração

Segundo as instruções EPA, na utilização de analisadores multi gases, quando possível, todos os analitos devem estar presente numa mesma mistura de calibração, para que seja habilitada uma calibração simultânea, desde que sejam estáveis. Com exceção para gases reativos, como ácidos halogenados (HCl, HF etc.)

Deve-se utilizar padrões secundários certificados, como referência de calibração para os analisadores, com precisão de 1 a 2%. Todos os padrões de calibração devem ser conferidos para assegurar periodicamente que as combinações não degradaram dos valores certificados.Utilizar tubos de permeação ou frascos de difusão para padrões instáveis. A norma 40CFR60 exige auditoria trimestral com teste do sistema, injetando gás padrão na sonda.

Há controvérsias a utilização de padrões externos, a utilização de filtros ou células com gás deve ser muito criteriosa e correlacionada com medições locais. Devido a problemas de compensação de temperatura e características do gás elas podem não representar exatamente a mesma situação de calibração com gás padrão.

Características da Medição in situ

Não há sistemas de amostragem, simplificando a montagem e barateando o custo do equipamento. O analisador é instalado perto do ponto de medição.

A medição é feita dentro do processo, com uma sonda pontual ou com medição por path. Resposta rápida, ideal para gases reativos como amônia (NH3) e fluoreto de hidrogênio (HF).

Medidores de gases insitu

Abaixo o analisador multi gás, Sick GM 31(UV, mede NO, SO2, NH3, ou NO2

Abaixo o analisador multi gás Sick GM 35(IR), mede CO, CO2, H2O, Temperatura e Umidade

 

 Medidores à LASER

Acima o analisador Opsis, do tipo LDS, mede: NO2, SO2, NH3, Hg, H2O, HCl, CO2, CH4 e Benzeno.

Tecnologias CEMS Emergentes do século XXI

  • Espectrômetros tipo “Fourier Transform Infra Red” (FTIR) (1990)
  • Espectrômetros tipo “Fotoacoustic” (PAS)
  • Diodo Laser de Sintonizado no infravermelho (TDIR)
  • Espectrômetros de massa
  • Tecnologias de micro-sensor.
  • PEMS

 Princípio FTIR: Fourier Transform Infrared

Espectrômetro por Infra Vermelho dispersivo, opera na faixa MIR (de 1,5 μ m a 15 μ m). Utiliza microprocessadores robustos.

Permitem um único instrumento monitorar simultaneamente até oito gases durante cada ciclo de leitura (SO2, NO2, NO, CO2, CO, CH4, e outros gases).

Usa um interferômetro como um dispersante óptico para fazer uma varredura no espectro IR. O interferômetro de Michelson geralmente é usado.

A função do interferômetro é dispersar a radiação vinda da fonte de IR em seus componente de freqüências.

O dispositivo divide e recombines um feixe de luz tal forma que quando recombinado produz um padrão de interferência com um comprimento de onda-dependente, chamado de interferograma.

A figura abaixo mostra um esquema funcional do interferômetro de Michelson:

 

A técnica de FTIR envolve a aplicação de numerosos cálculos matemáticos. São usadas várias técnicas matemáticas neste processo  para obter concentrações até em partes por milhões.

As figuras abaixo mostram analisadores do tipo FTIR

     

Altech Environnement

CEDOR- Maihak

Sick

Espectrômetros Infravermelhos Tipo Diodo Laser Sintonizado (TDIR)

Os espectrômetros TDIR usam análise de espectroscopia de segunda derivada para determinar a concentração de SO2, NO2, NÃO, CO2, CH4, H2O, NH3, HCl, HF, e outros gases.

Um diodo laser de IR é usado como a fonte luminosa. O laser é grosseiramente calibrado regulando sua temperatura operacional, e um melhor ajuste é alcançado mudando a corrente aplicada ao laser. Um divisor de feixe é usado para defletir uma parte da luz de laser por uma câmara de gás de referência até o detector. Seu uso é recente em CEMS e ainda requer comprovação. É utilizado também para poluentes atmosféricos e emissões de metano em aterros.

Medição de Vazão

Devido ao fato da umidade de gás de chaminé normalmente não ser removido em um sistema de diluição, as concentrações do gás de poluente são determinadas em uma base molhada. A concentração em base molhada expressa a vazão volumétrica do gás emitido na chaminé em libras por hora (lbs/hr) ou quilogramas por hora (kg/hr).

Características da Medição de Vazão em Dutos de Gases de Combustão.

  • Variações de Pressão e Temperatura
  • Variações da Composição e da Densidade.
  • Alto teor de umidade.
  • Ampla faixa de variação de fluxo.
  • Presença de partículas sólidas.

Devem ser escolhidos locais de instalação onde o fluxo seja o mais homogêneo possível, sem a ocorrência de turbulências como ciclones e variações excessivas.

Principais medidores de velocidade e vazão de gases de combustão:

  • Pulso Ultra Sônico (63 % dos CEMS instalados nos US)
  • Sinal Acústico Audível
  • Pressão diferencial
  • Térmico (resfriamento convectivo)
  • Lazer Dopper (LDV).

Monitores Ultra-Sônicos

“O som se propagando no sentido do escoamento do fluido será mais rápido do que o som se propagando no contra-fluxo”.

Transdutores piezoelétricos empregam cristais ou cerâmicas que vibram quando uma tensão elétrica alternada é aplicada a seus terminais.

Como o efeito piezoelétrico é reversível, as ondas de som incidindo em tais elementos piezoelétricos produzirão sinais elétricos em seus terminais.

 

Acima o medidor de vazão ultra-sônico Durag. Segundo o fabricante, Utiliza sistema de ar de purga para proteger os transdutores. Mede até uma distância de 11 metros Instalável num ângulo entre 30º  e 60º. A faixa de temperatura operacional é entre 200º e 400º. Precisão: +-2% da faixa.

Monitoramento de Particulados

O monitoramento de particulados foi iniciado nos anos 60 na Alemanha, e se tornou uma exigência de operação das plantas no país.

O monitoramento do particulado foi proposto pela EPA em 1996. O EPA propos o PS11 para testes de performance de monitores de particulado em CEMS, que passou a ser exigido em plantas de cimento.

Os medidores de particulado podem ser encontrados em 5 princípios diferentes: espalhamento de luz (scattering); atenuação de radiação beta; triboelétrico; extinção da luz e cintilação óptica.

O PS11 define procedimentos e critérios de aceitação para instalação, operação e cálculos de correlação para MP, assim como medidas de controle e garantia da qualidade que devem ser usadas.

 

Acima um exemplo de medidor de particulado, gentileza Sick-OMD-41.

Padrões Nacionais de Qualidade do Ar: Resolução COMANA Nº 3/90

Correlação Opacidade X Particulado

Uma boa correlação entre opacidade e MP é possível se as características físicas da partículas permanecerem constantes com o tempo.

Segundo pesquisas do EPA, em 1974, uma boa correlação linear é possível em processos de cimento, caldeiras de recuperação kraft e caldeiras à carvão. Observado que a presença de umidade interfere na correlação linear.

Segundo o autor pesquisado, nos testes realizados pela EPA, as medições com medidores que trabalham em infra vermelho demonstraram melhor correlação para alta umidade e sílica.

Parametrização da Correlação

A parametrização consiste em estabelecer uma relação linear entre o valor da extinção e a quantidade de partículas (concentração), através da curva de regressão. A curva de regressão é determinada a partir de uma montagem gravimétrica, através de dois eixos na chaminé em três situações, com operação  em cargas diferentes (amostragem isocinética).

 Referencias:

Monitoramento da qualidade do ar: avaliação de metodologia baseada no licenciamento ambiental. Auxiliadora Maria Moura SANTI, Antônio Carlos Rosa, Rogério Yukio Suzuki. ABES

EPA Handbook – Continuous Emission Monitoring Systems for Non-criteria Pollutants, 1997.

EPRI – Continuous Emission Monitoring (CEM) System Application and Maintenance Guide, EPRI, Palo Alto, CA: 2003. 1009057.

Atma – A Emissão de Gases de Efeito Estufa na Siderurgia Brasileira e de Minas Gerais. SILVEIRA, Isis Laponez da.

ECP – A INDÚSTRIA DA FUNDIÇÃO E O MEIO AMBIENTE. João Baptista Galvão Filho

ENEGEP – Aproveitamento de características físicas dos gases de alto forno para geração de energia elétrica em uma siderúrgica: O Caso da Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST). Paulo Eduardo Rodrigues (UVV); Diniz Lobão (UVV); José Ramon Martinez Pontes (UVV) e Patrícia Alcântara Cardoso (UVV), 2003.

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