Analizadores de fluoruro de hidrógeno — monitoreo de procesos con TDLAS para servicio corrosivo con HF

Tres propiedades del HF dificultan los métodos extractivos convencionales: (1) el HF corroe y consume las celdas de los sensores electroquímicos, por lo que deben reemplazarse con frecuencia; (2) el HF se adsorbe fuertemente en el acero inoxidable y en la mayoría de las superficies metálicas a concentraciones bajas de ppm, lo que provoca que los valores medidos se retrasen y se subestimen durante varios minutos; (3) la superposición espectral del HF con H₂O, CO₂, SO₂ y HCl hace que el infrarrojo de banda ancha (NDIR) no sea confiable en gases de chimenea húmedos sin una compensación exhaustiva. TDLAS aborda los tres problemas: la celda óptica no tiene contacto con reactivos de HF, la línea de muestreo de Monel 400 / PTFE / PFA resiste el ataque y reduce la adsorción, y la selección de una sola línea láser separa la señal de absorción del HF de las especies de fondo tras revisar la matriz.

El fluoruro de hidrógeno se adsorbe con gran afinidad en las superficies de acero inoxidable, sobre todo a concentraciones bajas de ppm. Un tramo corto de 316SS en la línea de muestreo absorberá HF del flujo de muestra y reducirá las lecturas durante varios minutos, lo que imposibilita el monitoreo preciso de emisiones fugitivas a bajas concentraciones de ppm. Con el tiempo, el HF corroe las soldaduras y los accesorios de acero inoxidable, creando más vías de fuga y puntos de contaminación. Monel 400 resiste mucho mejor el ataque del HF que las aleaciones de acero inoxidable; el PTFE y el PFA son prácticamente inertes al HF en condiciones de proceso típicas. El ZS8100-HF especifica Monel 400 para las superficies metálicas en contacto con la muestra y tubería interna de PTFE/PFA en toda la línea de muestreo. La aleación Hastelloy C-276 (sistema de muestreo ZS-SCS-800) se especifica para el servicio CEMS más exigente con gases ácidos húmedos.

El ZS8100-HF utiliza un firmware multirango que se configura durante la etapa de especificación del proyecto: 0–10 ppm (servicio de emisiones fugitivas FTC/GTC en fundiciones, por debajo del PEL de OSHA de 3 ppm como promedio ponderado de 8 horas), 0–50 ppm (monitoreo de procesos de alquilación) y 0–500 ppm (control de procesos de grabado de vidrio y corrientes de proceso con concentraciones más altas). El límite de detección es <0.05 ppm en condiciones de monitoreo de emisiones fugitivas. Para el servicio CEMS de incineración conforme a las BAT de la UE (≤1 mg/m³ HF), normalmente se utiliza el rango de 0–10 ppm con conversión de salida a mg/m³.

La conclusión sobre las mejores técnicas disponibles (BAT) de la Directiva de Emisiones Industriales de la UE (IED) para la incineración de residuos establece un límite de emisión promedio diario de ≤1 mg/m³ de HF en la chimenea, junto con un valor límite de emisión (ELV) promedio diario de HCl de ≤10 mg/Nm³ (anexo VI de la IED; el valor límite de emisión asociado a las BAT para incineración de residuos, más estricto, es de 2–8 mg/Nm³ como promedio diario). El monitoreo continuo a estas concentraciones requiere un CEMS con exactitud demostrada a niveles bajos de mg/m³, alcanzable con TDLAS y muestreo calentado de Hastelloy. En el Reino Unido, la certificación MCERTS define el alcance de homologación para el monitoreo continuo de HF; en Estados Unidos, los Métodos 13A y 13B de la EPA definen la medición de referencia de HF, y el Método 320 de la EPA contempla la espectroscopía FTIR extractiva como alternativa. El alcance previsto de la certificación MCERTS y del Método 13 de la EPA para el ZS8100-HF se indica como objetivo; el estado actual de certificación para su configuración se confirma al cotizar.

El ZS-SCS-800 es un sistema de muestreo calentado de Hastelloy C-276 que mantiene el gas de muestra por encima del punto de rocío del HF desde la punta de la sonda hasta la entrada del analizador, lo que evita la condensación del HF y las pérdidas por adsorción en la línea de muestreo. Para el servicio típico en chimeneas de incineración, la sonda y la línea de muestreo se calientan a 160–180 °C. El sistema comparte su arquitectura con la aplicación de la categoría relacionada para HCl. La filtración de partículas está integrada en la sonda calentada; el control de caudal y la regulación de presión están aguas abajo. El ZS-SCS-800 no utiliza un enfriador para secado: TDLAS no requiere secar el gas y mantener una temperatura elevada preserva la integridad de la muestra de HF durante todo el trayecto de transferencia.

Se prefiere una opción de ingeniería de HF con trayectoria larga / UV-DOAS cuando la geometría del ducto permite el acceso óptico de trayectoria larga a través de todo el diámetro de la chimenea y no es práctico instalar una línea de muestreo extractiva. El DOAS de trayectoria larga mide in situ a través de la columna de gases de combustión, por lo que no requiere un sistema extractivo de muestreo calentado. También permite medir varios componentes, incluidos SO₂, NO₂ y HCl, desde una sola trayectoria óptica. La desventaja es que la ventana espectral UV para HF ofrece un margen de diseño más estrecho que la selección de una sola línea TDLAS en matrices complejas de gases ácidos: la selección de línea TDLAS ofrece una mejor separación espectral en mezclas de HCl + SO₂ + HF. La opción de HF con trayectoria larga / UV-DOAS está disponible mediante una revisión del proyecto; para la mayoría de las aplicaciones extractivas, se sigue prefiriendo TDLAS (ZS8100-HF).

Las fundiciones de aluminio primario requieren monitoreo de HF en dos puntos: (1) monitoreo de emisiones fugitivas en las naves de electrólisis, en los pasillos de mantenimiento de las cubas y en los puntos de extracción del techo, para verificar que la exposición de los trabajadores se mantenga por debajo del PEL de OSHA de 3 ppm como promedio ponderado de 8 horas; (2) monitoreo de las emisiones de salida del Centro de Tratamiento de Gases (GTC) o del Centro de Tratamiento de Humos (FTC), para verificar que la eficiencia del lavado en seco elimine el HF del gas de las cubas antes de su descarga a la atmósfera. Los límites de emisiones para el cumplimiento normativo del GTC/FTC varían según la jurisdicción, pero normalmente exigen datos continuos de HF a bajas concentraciones de ppm que demuestren un factor de emisión fugitiva ≤1 kg de HF por tonelada de aluminio producida. La arquitectura especificada para ambos puntos de servicio es TDLAS del ZS8100-HF con líneas de muestreo de Monel/PTFE/PFA.

Las celdas electroquímicas (EC) para HF son adecuadas para el monitoreo de seguridad personal (funciones de alarma TWA y STEL) y el monitoreo portátil de áreas en el perímetro de refinerías y en las salidas de salas blancas de semiconductores. No son confiables para el control de procesos ni para la presentación de informes de cumplimiento normativo por dos motivos: a concentraciones más altas, el HF reacciona con el electrolito de la celda EC y lo consume, por lo que es necesario reemplazarlo periódicamente; además, las celdas EC suelen tener un límite inferior de 1–5 ppm y una capacidad limitada para rechazar otros gases. Para el monitoreo continuo de procesos y el servicio CEMS, se sigue especificando TDLAS como método. El monitoreo electroquímico de HF es una opción condicionada a una revisión de ingeniería para GESHINE y se abastece de proveedores asociados cuando el proyecto lo solicita expresamente.