Rozwiązania do analizy gazów przemysłowych — platformy wielotechnologiczne do pomiaru ponad 16 gazów

Analizator gazów to przyrząd pomiarowy, który mierzy stężenie określonych gazów w próbce, wykorzystując zasady pomiaru optycznego, elektrochemicznego lub termicznego. Przemysłowe analizatory gazów zazwyczaj pobierają próbkę gazu procesowego do ogniwa pomiarowego (układ ekstrakcyjny) albo wykonują pomiar bezpośrednio w kanale (in situ), dostarczając dane o stężeniu w czasie rzeczywistym na potrzeby sterowania procesem, wykazywania zgodności z wymogami dotyczącymi emisji lub monitorowania bezpieczeństwa.

Do głównych rodzajów należą: TDLAS (spektroskopia absorpcyjna z przestrajalnym laserem diodowym), zapewniająca szybki pomiar bez zakłóceń w trudnych warunkach; NDIR (niedyspersyjna spektroskopia w podczerwieni), umożliwiająca stabilny i ekonomiczny pomiar CO/CO₂/CH₄; UV-DOAS do wieloskładnikowej analizy SO₂/NOₓ; oraz CLD (chemiluminescencja), stosowana jako metoda odniesienia do pomiaru NOₓ. Każda technologia ma inne zalety, zależnie od rodzaju gazu, warunków procesu i wymaganej dokładności.

Analizator gazów zapewnia ciągły, dokładny pomiar stężenia (ppm lub %vol) na potrzeby sterowania procesem i raportowania zgodności z wymaganiami. Detektor gazu służy do uruchamiania alarmów bezpieczeństwa — wysyła alarm, gdy poziom gazu przekroczy ustawiony próg. Analizatory zapewniają większą dokładność i więcej możliwości pomiarowych; detektory stawiają na krótki czas odpowiedzi i bezpieczne działanie w razie awarii w strefach zagrożonych wybuchem.

Wybierz analizator in situ, gdy potrzebny jest krótki czas odpowiedzi (<1s), niewielkie wymagania konserwacyjne i możliwość montażu bezpośrednio na kanale lub rurze. Wybierz analizator ekstrakcyjny, gdy potrzebny jest pomiar wielu składników z jednego punktu, warunki procesu są zbyt trudne do montażu bezpośredniego lub dokładność wymaga kondycjonowania próbki gazu (chłodzenia, filtrowania, osuszania).

Technologia TDLAS umożliwia pomiar ponad 10 gazów, w tym O₂, CO, CO₂, CH₄, H₂O, NH₃, HCl, HF, H₂S i C₂H₂. Każdy gaz absorbuje światło lasera przy innej długości fali, co pozwala na wysoce selektywny pomiar niemal bez zakłóceń krzyżowych — nawet w złożonych mieszaninach spalin lub gazów procesowych zawierających pył, wilgoć i wiele składników gazu.

Analizatory TDLAS zazwyczaj wymagają kalibracji co 6–12 miesięcy dzięki swojej stabilności i konstrukcji z układem samoodniesienia. Analizatory NDIR i UV-DOAS zwykle wymagają kalibracji co 3–6 miesięcy. Częstotliwość kalibracji zależy również od wymagań regulacyjnych (np. EN 14181 QAL3 dla CEMS) oraz warunków procesu. Większość analizatorów obsługuje automatyczne kontrole zera i zakresu.

Do najczęściej spotykanych certyfikatów i oznaczeń należą oznakowanie CE, ATEX/IECEx dla atmosfer wybuchowych, SIL 2 w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego, IP66/67 w zakresie ochrony przed wnikaniem, EN 15267 i QAL1 jako zatwierdzenie typu CEMS oraz MCERTS dla monitorowania środowiska w Wielkiej Brytanii. Dostępność certyfikacji zależy od modelu analizatora gazów, typu instalacji i wymagań projektu.

Aby dobrać odpowiedni analizator, potrzebujemy następujących informacji: docelowy gaz i zakres jego stężenia, temperatura i ciśnienie procesu, preferowany typ instalacji (in situ lub ekstrakcyjna), zapylenie, zawartość wilgoci i warunki korozyjne, klasyfikacja strefy zagrożonej wybuchem (jeśli dotyczy), wymagane sygnały wyjściowe i protokoły, obowiązujące certyfikaty oraz lokalizacja projektu i oczekiwany termin dostawy.

Większość przypadków dryftu wskazań przemysłowych analizatorów gazów wynika z układu poboru próbki, a nie z samego analizatora: zatkany filtr sondy, nieszczelne złącze przewodu poboru próbki, przez które powietrze z otoczenia rozcieńcza próbkę, woda, która przedostała się przez chłodnicę do ogniwa pomiarowego, lub zatrucie czujnika przez opary silikonowe albo ciężkie węglowodory. Wskazania niektórych czujników zmieniają się też z upływem czasu — ogniwa elektrochemiczne O₂ starzeją się na przykład niezależnie od tego, czy są używane. Przed przystąpieniem do diagnostyki analizatora należy sprawdzić przewód poboru próbki, stan filtra i szczelność złączy oraz potwierdzić, czy czujnik nadal mieści się w przewidywanym okresie eksploatacji.

Najczęściej spotykane błędy to: (1) wybór analizatora przed poznaniem zapylenia i punktu rosy — o tym, czy urządzenie przetrwa, decyduje kanał; (2) wybór najtańszej szafy analizatorowej bez sprawdzenia, czy czujniki można wymienić na miejscu; (3) traktowanie analizatora jako całego systemu, mimo że główną przyczyną awarii jest kondycjonowanie próbki gazu; (4) mylenie analizatora (pomiar ciągły z dokładnością ppm) z detektorem (wyłącznie alarmowym); oraz (5) pomijanie czasu dostawy części zamiennych i dostępności serwisu w regionie. Każdy z tych błędów może mieć większy wpływ na długoterminowe koszty i niezawodność niż sugeruje cena podana w ofercie.

Analizator gazów mierzy właściwość fizyczną, na którą docelowy gaz wpływa w określony sposób, a większość zastosowań przemysłowych obejmują cztery zasady detekcji. TDLAS (laser diodowy o przestrajalnej długości fali) skanuje pojedynczą linię absorpcyjną, dzięki czemu selektywnie mierzy jeden gaz nawet w zapylonej, wilgotnej matrycy spalin. NDIR (niedyspersyjna spektroskopia w podczerwieni) mierzy szerokopasmową absorpcję promieniowania IR — to stabilne i tańsze rozwiązanie do pomiaru CO, CO₂ i CH₄. UV-DOAS mierzy absorpcję promieniowania ultrafioletowego w przypadku SO₂, NOₓ i innych składników aktywnych w UV. Ogniwa elektrochemiczne generują prąd proporcjonalny do stężenia; sprawdzają się przy pomiarze O₂ i gazów toksycznych, mają niższy koszt początkowy, ale ograniczony okres eksploatacji. Właściwą zasadę pomiaru dobiera się do gazu, matrycy gazowej i wymaganej dokładności — więcej informacji o każdej z nich zawiera wcześniejsza sekcja „Jak działają analizatory gazów”.

Podstawowym pomiarem przy optymalizacji spalania w kotle jest pomiar tlenu — pętla regulacji O₂ z analizatorem in situ w kominie pozwala ograniczyć nadmiar powietrza i zwiększyć efektywność wykorzystania gazu paliwowego; zwykle stosuje się w tym celu analizator O₂ z ogniwem cyrkonowym lub technologią TDLAS. Optymalizacja spalania i zapewnienie zgodności emisji z wymaganiami to dwa zadania realizowane na tym samym przewodzie spalinowym: O₂ (a często także CO) służą do poprawy efektywności, natomiast kanały CO/CO₂, SO₂/NOₓ i wielogazowe obsługują pozwolenie emisyjne. Nie ma jednego właściwego urządzenia — wybór zależy od gazu paliwowego, matrycy gazowej w kominie i tego, czy potrzebne jest również raportowanie zgodności z wymaganiami. Informacje o pomiarze O₂ zawiera przewodnik po doborze analizatorów tlenu, a o stałym systemie CEMS — sekcja dotycząca spalania w kotłach i kominach na stronie analizatorów spalin.

Analizator gazów jest potrzebny do ciągłego pomiaru ilości gazu, a detektor — do sprawdzania, czy stężenie gazu przekroczyło niebezpieczny próg. Analizator podaje ciągłe stężenie w ppm lub %vol na potrzeby sterowania procesem, regulacji spalania i raportowania zgodności z wymaganiami, a jego kalibracja zapewnia dokładność pomiaru. Detektor to urządzenie bezpieczeństwa — po przekroczeniu wartości zadanej uruchamia alarm lub blokadę i jest przystosowany do szybkiego, bezpiecznego działania w razie awarii w matrycy gazowej w strefie zagrożonej wybuchem; nie służy do rejestrowania wartości pomiarowej. Wiele zakładów przemysłowych stosuje oba urządzenia: detektory w warstwie zabezpieczeń przed dolną granicą wybuchowości i gazami toksycznymi, a analizatory w warstwie procesowej i emisyjnej. Jeśli pozwolenie emisyjne lub pętla sterowania wymagają rejestrowania stężenia, potrzebny jest analizator gazów.

„Analizator gazów śladowych” nie oznacza jednego konkretnego produktu — to dowolny analizator przeznaczony do pomiarów na poziomie śladowym (zwykle poniżej 100 ppm aż do ppb), gdzie większe znaczenie niż samo urządzenie mają droga przepływu próbki i kalibracja. Pomiary śladowe definiuje docelowy gaz, dlatego dobór przyrządu pomiarowego zależy od rodzaju gazu, a nie od uniwersalnego urządzenia. W przypadku tlenu na poziomie śladowym — inertyzacji, tworzenia atmosfery ochronnej i pomiaru czystości w ASU — należy zapoznać się ze stroną analizatorów tlenu; w przypadku śladowej zawartości wilgoci lub punktu rosy w osuszonym gazie albo gazie o wysokiej czystości — ze stroną analizatorów wilgoci. W pomiarach na poziomie śladowym kluczowe są szczelna droga przepływu próbki — powietrze z otoczenia przedostające się przez pojedyncze złącze może zafałszować wskazanie poniżej ppm — oraz zakres kalibracji do pomiarów śladowych, potwierdzony certyfikowanym gazem. Prosimy podać rodzaj gazu i granicę pomiaru śladowego dla projektu, a wskażemy odpowiedni analizator.

Analizator gazu procesowego mierzy w sposób ciągły skład gazu w działającym procesie przemysłowym lub w jego bezpośrednim sąsiedztwie — na potrzeby sterowania, poprawy efektywności, bezpieczeństwa lub monitorowania emisji — a nie w pojedynczej próbce laboratoryjnej. Dobór rozpoczyna się od określenia grupy gazów i warunków w strumieniu, ponieważ przemysłowe analizatory gazów procesowych dobiera się według rodzaju zastosowania: strumienie ze spalania i kominów (O₂, CO/CO₂, SO₂/NOₓ) wymagają platform do pomiaru spalin i CEMS; gazy produktowe o wysokiej czystości (O₂, N₂, Ar, H₂) — analizy czystości gazu; strumienie gazu syntezowego i ze zgazowania — analizy gazu syntezowego; a strumienie gazu ziemnego (H₂S, wilgoć, śladowe O₂) — analizy gazu ziemnego. Następnie należy dobrać technologię do gazu i matrycy gazowej: TDLAS, NDIR, paramagnetyczną, UV-DOAS lub FID. Ponieważ analizator gazu procesowego musi pracować bez nadzoru na działającym strumieniu, prawidłowa analiza gazu procesowego zależy w równym stopniu od obsługi próbki, klasyfikacji strefy i zakresu certyfikacji wymaganego w projekcie, co od samego czujnika. Prosimy przesłać listę gazów i warunki procesu, a inżynierowie aplikacyjni GESHINE dobiorą analizator i układ poboru próbki.

Termin realizacji zależy od zakresu konfiguracji i ścieżki certyfikacji. Standardowe analizatory jednego gazu są zazwyczaj wysyłane w ciągu 4–6 tygodni od otrzymania zamówienia; zestawy CEMS do wielu gazów, z kondycjonowaniem próbki i dokumentacją QAL1 / EN 15267, wymagają zwykle 8–12 tygodni; niestandardowe moduły OEM i projekty z obudowami do stref zagrożonych wybuchem zgodnymi z ATEX mogą wymagać więcej czasu. Testy FAT w naszej fabryce, instalacja na miejscu i uruchomienie wydłużają realizację o 1–3 tygodnie na każdy punkt pomiarowy. Prosimy z wyprzedzeniem podać termin realizacji projektu — w przypadku wielopunktowych instalacji CEMS możemy zaplanować testy FAT i wysyłkę z uwzględnieniem terminów uruchomienia.