Analizadores de cloruro de hidrógeno — medición de HCl con TDLAS de línea seleccionada

Tres propiedades de los gases de combustión de la incineración hacen de TDLAS una opción justificable para CEMS de HCl: (1) el alto contenido de vapor de agua (normalmente 10–25 %vol), que se superpone a la banda de absorción del HCl en NDIR de banda ancha; TDLAS sitúa la línea láser en una característica específica del HCl que sobresale del continuo de H₂O, por lo que resuelve el HCl ópticamente en lugar de compensar la humedad; (2) la presencia simultánea de SO₂, HF y CO₂, que generan interferencias espectrales en técnicas de banda más amplia y se abordan mediante la selección de la línea láser y la revisión de la matriz de aplicación; (3) la naturaleza altamente corrosiva y reactiva del HCl en gases ácidos húmedos a temperaturas de chimenea, lo que exige materiales y métodos de medición que preserven la integridad de la muestra desde la punta de la sonda hasta la celda del analizador.

El HCl es muy soluble en agua. Si la temperatura de la trayectoria de la muestra cae por debajo del punto de rocío ácido (aproximadamente 60–80 °C para las concentraciones típicas de HCl en los gases de combustión de la incineración), el HCl se disuelve en la película de condensado de las paredes de la línea de muestreo. Esto provoca una caída de la medición (el HCl llega al analizador a una concentración menor que la presente en el punto de medición) y, al mismo tiempo, una corrosión agresiva de los materiales de la trayectoria de la muestra. El SS316L estándar es adecuado para gases no corrosivos, pero el HCl concentrado lo ataca a temperaturas elevadas. Hastelloy C-276 —una aleación de níquel, molibdeno y cromo— ofrece una resistencia mucho mayor en servicios con ácidos que contienen HCl, a las temperaturas y concentraciones que se encuentran en instalaciones de incineración y de cloro-álcali. La línea calentada debe mantener una temperatura superior al punto de rocío en toda su longitud, incluidos los codos y las conexiones.

EN 14181 establece el marco de aseguramiento de la calidad para los sistemas automatizados de medición (AMS) instalados en puntos CEMS de fuentes estacionarias en la UE. QAL1 es la prueba inicial de homologación que confirma que el instrumento cumple los criterios mínimos de desempeño en condiciones de laboratorio y de campo. QAL2 es la calibración específica del sitio y la evaluación de incertidumbre que se realizan una vez instalado el sistema. Se utiliza un método de referencia (normalmente, muestreo extractivo isocinético) para establecer la relación funcional entre la lectura del AMS y el valor de referencia, y documentar la incertidumbre de medición. Las pruebas anuales de vigilancia (AST) mantienen la calibración QAL2 a lo largo del tiempo. Para CEMS de HCl, QAL2 es obligatorio para cumplir los requisitos del permiso ambiental conforme a la IED de la UE. La incertidumbre de medición obtenida en QAL2 debe estar dentro de la tolerancia permitida para el límite del permiso, por lo que la selección del instrumento, la calidad de la instalación y la integridad del sistema de muestreo influyen en el estado de cumplimiento.

OSHA establece un PEL máximo de 5 ppm para el cloruro de hidrógeno: los trabajadores no deben estar expuestos a concentraciones iguales o superiores a este nivel en ningún momento. ACGIH establece un TLV-Ceiling (TLV-C) de 2 ppm en el lugar de trabajo. NIOSH recomienda un límite máximo de 5 ppm (15-minute) y un IDLH de 50 ppm. Para el monitoreo continuo de seguridad laboral en un punto fijo, suele especificarse un rango de medición de 0–10 ppm de HCl con un límite de detección inferior a 0.5 ppm. Estas aplicaciones de seguridad se cubren con detectores electroquímicos de HCl como alternativa condicional; no son los mismos equipos que los CEMS de incineración, que operan en un rango de 0–50 / 200 ppm en condiciones de chimenea.

El HCl y el SO₂ absorben tanto en las regiones del infrarrojo medio como del infrarrojo cercano, y sus características espectrales pueden superponerse en algunas longitudes de onda cuando se utilizan métodos de medición de banda ancha. TDLAS aborda este problema a nivel óptico: el láser se sintoniza a una característica de absorción rotovibracional estrecha y única del HCl, aproximadamente a 1.74 μm, en la banda de sobretonos del infrarrojo cercano. La sección eficaz de absorción del SO₂ a esta longitud de onda específica es considerablemente menor que la característica del HCl, y el fondo residual de SO₂ puede tenerse en cuenta en la revisión de la matriz de aplicación. Del mismo modo, el HF y el CO₂ se resuelven mediante la selección de líneas y el análisis de la matriz. La matriz debe revisarse para cada instalación específica, ya que los niveles de fondo de SO₂, HF y CO₂ varían entre sitios y afectan la estimación de la interferencia residual.

Tanto el ZS8100-HCl como la variante hermana de formato TDLAS utilizan TDLAS como principio de medición y comparten la misma ventaja fundamental para medir HCl en matrices húmedas y corrosivas: medición óptica sin contacto con selección de línea láser y una trayectoria de muestra calentada de Hastelloy C-276. La diferencia está en la plataforma y el formato: el ZS8100-HCl pertenece a la plataforma principal de analizadores de proceso TDLAS de GESHINE, mientras que la variante hermana se basa en la plataforma de la familia H₂S. Para la mayoría de las aplicaciones de CEMS de incineración, cloro-álcali y PVC/VCM, se recomienda el ZS8100-HCl como opción predeterminada. La variante hermana TDLAS se especifica cuando la geometría del patín de la familia H₂S o su disposición de montaje se adapta mejor a las limitaciones de instalación del proyecto, y está disponible previa revisión del proyecto. El rango y la exactitud de ambas configuraciones se confirman para cada proyecto.

La verificación de la reducción de HCl mediante un lavador húmedo requiere medición continua tanto en la entrada como en la salida del lavador. En la entrada se encuentran las concentraciones más altas de HCl y las condiciones más corrosivas: normalmente, un rango de 100–2000 ppm de HCl en los gases de combustión de la incineración, con alta temperatura y humedad. En la salida se deben detectar concentraciones bajas de HCl en ppm (≤10 ppm para los objetivos de reducción típicos), en una matriz de gases que aún contiene humedad residual, SO₂ y aerosoles ácidos debido a un lavado incompleto. La instalación de TDLAS en ambos puntos, cada uno con su propia línea de muestreo calentada de Hastelloy y su analizador, proporciona los datos necesarios para calcular la eficiencia de reducción en tiempo real y activar el mantenimiento del lavador cuando la concentración de HCl en la salida comienza a aumentar, antes de alcanzar el límite del permiso. Los analizadores de entrada y salida pueden compartir un punto de integración DAS o SCADA mediante Modbus.

MCERTS (programa de la Agencia de Medio Ambiente del Reino Unido, administrado por Sira) y la especificación de desempeño 18 de la US EPA (PS-18, CEMS de cloruro de hidrógeno) son los marcos de homologación pertinentes para los sistemas de medición continua de HCl en el Reino Unido y Estados Unidos, respectivamente. MCERTS / PS-18 figuran como objetivos de alcance para el ZS8100-HCl; el estado actual de la certificación, los números de certificado y los períodos de validez deben confirmarse al cotizar. Hasta contar con esa confirmación, el analizador puede utilizarse en aplicaciones de proceso y CEMS sin certificación. Para CEMS regulados por permisos ambientales en el Reino Unido o Estados Unidos, confirme el estado actual de la certificación al especificar el proyecto con el equipo de aplicaciones de GESHINE.