Analizatory chlorowodoru — selektywny pomiar HCl metodą TDLAS

Trzy właściwości spalin ze spalarni sprawiają, że TDLAS jest uzasadnionym wyborem do pomiaru HCl w systemach CEMS: (1) wysoka zawartość pary wodnej (zwykle 10–25 %vol), której pasmo nakłada się na pasmo absorpcji HCl w szerokopasmowej metodzie NDIR — TDLAS ustawia linię lasera na charakterystycznym paśmie HCl, położonym powyżej kontinuum H₂O, dzięki czemu HCl jest rozdzielany optycznie, a nie przez kompensację wilgotności; (2) współwystępowanie SO₂, HF i CO₂, które w technikach szerokopasmowych tworzą tło spektralne; problem ten rozwiązuje się przez dobór linii lasera i analizę matrycy gazowej dla danego zastosowania; (3) silnie korozyjny i reaktywny charakter HCl w wilgotnym gazie kwaśnym w temperaturze panującej w kominie, wymagający doboru materiałów i metody pomiaru, które zachowują integralność próbki od końcówki sondy po ogniwo pomiarowe analizatora.

HCl bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Jeśli temperatura na drodze próbki spadnie poniżej punktu rosy kwasu (około 60–80 °C przy typowych stężeniach HCl w spalinach ze spalarni), HCl rozpuszcza się w warstwie kondensatu na ściankach przewodu poboru próbki — powoduje to zaniżenie wskazań (do analizatora dociera próbka o niższym stężeniu HCl niż w punkcie pomiarowym), a jednocześnie prowadzi do intensywnej korozji materiałów, z których wykonano tor próbki. Standardowa stal SS316L sprawdza się w przypadku gazów niekorozyjnych, ale ulega korozji pod wpływem stężonego HCl w podwyższonej temperaturze. Hastelloy C-276 — stop niklu, molibdenu i chromu — zapewnia znacznie lepszą odporność w środowisku kwaśnym zawierającym HCl, w temperaturach i przy stężeniach występujących w spalarniach oraz instalacjach chlorowo-alkalicznych. Podgrzewany przewód musi utrzymywać temperaturę powyżej punktu rosy na całej długości, łącznie z kolankami i połączeniami.

Norma EN 14181 określa ramy zapewnienia jakości dla automatycznych systemów pomiarowych (AMS) zainstalowanych w punktach pomiarowych CEMS przy stacjonarnych źródłach emisji w UE. QAL1 to wstępne badanie typu potwierdzające, że przyrząd pomiarowy spełnia minimalne kryteria parametrów pracy w warunkach laboratoryjnych i terenowych. QAL2 to kalibracja dla konkretnej instalacji i ocena niepewności pomiaru, przeprowadzane po zainstalowaniu systemu z użyciem metody referencyjnej (zwykle ekstrakcyjnego izokinetycznego poboru próbki), aby określić zależność funkcyjną między wskazaniem AMS a wartością referencyjną oraz udokumentować niepewność pomiaru. Coroczny test nadzoru (AST) pozwala utrzymać kalibrację QAL2. W przypadku pomiaru HCl w systemie CEMS QAL2 jest wymagany do spełnienia warunków pozwolenia emisyjnego zgodnie z unijną dyrektywą IED — niepewność pomiaru określona w ramach QAL2 musi mieścić się w dopuszczalnej tolerancji względem limitu określonego w pozwoleniu, co oznacza, że dobór przyrządu, jakość instalacji i integralność układu poboru próbki wpływają na zgodność z wymaganiami.

OSHA ustala graniczną wartość PEL dla chlorowodoru na poziomie 5 ppm — pracownicy nie mogą być narażeni na stężenie równe tej wartości lub wyższe w żadnym momencie. ACGIH ustala wartość TLV-C (TLV-C) dla miejsca pracy na poziomie 2 ppm. NIOSH zaleca wartość graniczną 5 ppm (dla 15-minutowego narażenia) oraz wartość IDLH wynoszącą 50 ppm. W przypadku stacjonarnego, ciągłego monitorowania bezpieczeństwa w miejscu pracy typowo określa się zakres pomiarowy HCl 0–10 ppm i granicę wykrywalności poniżej 0,5 ppm. Do takich zastosowań w zakresie bezpieczeństwa służą elektrochemiczne detektory HCl jako rozwiązanie warunkowe — to inny sprzęt niż CEMS dla spalarni, pracujący w zakresie 0–50 / 200 ppm w warunkach panujących w kominie.

HCl i SO₂ pochłaniają promieniowanie w średniej i bliskiej podczerwieni, a ich pasma widmowe mogą nakładać się przy niektórych długościach fali w szerokopasmowych metodach pomiaru. TDLAS rozwiązuje ten problem na poziomie optycznym: laser jest dostrajany do pojedynczego, wąskiego pasma absorpcji rotacyjno-wibracyjnej HCl przy długości około 1,74 μm w nadtonowym zakresie bliskiej podczerwieni. Przekrój czynny absorpcji SO₂ przy tej konkretnej długości fali jest znacznie mniejszy niż dla pasma HCl, a resztkowe tło SO₂ można uwzględnić w analizie matrycy gazowej dla danego zastosowania. Podobnie HF i CO₂ rozdziela się przez dobór linii i analizę matrycy. Analizę matrycy należy przeprowadzić dla każdej konkretnej instalacji, ponieważ poziomy tła SO₂, HF i CO₂ różnią się między zakładami i wpływają na szacowaną wielkość resztkowych zakłóceń.

Zarówno ZS8100-HCl, jak i pokrewny wariant TDLAS wykorzystują TDLAS jako zasadę pomiaru i oferują tę samą podstawową zaletę przy pomiarze HCl w wilgotnych, korozyjnych matrycach gazowych — bezkontaktowy pomiar optyczny z doborem linii lasera oraz podgrzewany tor próbki z Hastelloy C-276. Różnią się platformą i konstrukcją: ZS8100-HCl należy do głównej platformy procesowych analizatorów TDLAS firmy GESHINE, natomiast pokrewny wariant bazuje na platformie rodziny H₂S. W większości zastosowań obejmujących CEMS dla spalarni, instalacje chlorowo-alkaliczne oraz PVC/VCM domyślnie zalecany jest ZS8100-HCl. Pokrewny wariant TDLAS określa się w specyfikacji wtedy, gdy geometria ramy lub układ montażowy platformy rodziny H₂S lepiej odpowiada ograniczeniom instalacyjnym projektu; jego dostępność wymaga przeglądu projektu. W obu konfiguracjach zakres pomiarowy i dokładność są potwierdzane dla danego projektu.

Weryfikacja skuteczności usuwania HCl w płuczce mokrej wymaga ciągłego pomiaru zarówno na wlocie, jak i na wylocie z płuczki. Pomiar na wlocie obejmuje najwyższe stężenia HCl i najbardziej korozyjne warunki — w spalinach ze spalarni typowy zakres pomiarowy HCl wynosi 100–2000 ppm, przy wysokiej temperaturze i dużej zawartości wilgoci. Pomiar na wylocie musi wykrywać HCl w niskich stężeniach ppm (≤10 ppm przy typowych celach oczyszczania) w matrycy gazowej, w której nadal występują resztkowa wilgoć, SO₂ i aerozol kwasowy po niepełnym oczyszczaniu. Zastosowanie TDLAS w obu punktach, z osobnym podgrzewanym przewodem poboru próbki z Hastelloy i analizatorem w każdym punkcie, dostarcza danych potrzebnych do obliczania skuteczności oczyszczania w czasie rzeczywistym i uruchomienia konserwacji płuczki, gdy stężenie HCl na wylocie zaczyna rosnąć, zanim osiągnie limit określony w pozwoleniu. Analizatory na wlocie i wylocie można podłączyć do wspólnego punktu integracji z DAS lub SCADA za pośrednictwem Modbus.

MCERTS (program brytyjskiej Agencji Ochrony Środowiska, administrowany przez Sira) oraz US EPA Performance Specification 18 (PS-18, CEMS do pomiaru chlorowodoru) to właściwe ramy zatwierdzania typu systemów do ciągłego pomiaru HCl, odpowiednio w Wielkiej Brytanii i USA. MCERTS / PS-18 są wymienione jako docelowy zakres dla ZS8100-HCl; aktualny status certyfikacji, numery certyfikatów i okresy ich ważności należy potwierdzić na etapie wyceny. Do czasu uzyskania takiego potwierdzenia analizator może być stosowany w procesach i w zastosowaniach CEMS niewymagających certyfikacji; w przypadku systemu CEMS objętego pozwoleniem emisyjnym w Wielkiej Brytanii lub USA aktualny status certyfikacji należy potwierdzić podczas opracowywania specyfikacji projektu z zespołem aplikacyjnym GESHINE.