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Sistemas de Monitoramento Contínuo de Emissões

IN SITU OU EXTRATIVO?  QUAL É MELHOR?
  Os Sistemas de Monitoração Contínua de Emissões (CEMS) normalmente têm uma série de requisitos quanto  à medição  de  gases,  que  devem  ser  atendidos  pela legislação e que costumam incluir:  
- medir a concentração de uma série de gases poluentes  (CO, SO2, NOx, etc.); 
- medir um gás que serve como fator de diluição normalmente O2 e recalcular as concentrações baseadas na  correção por  esse  fator; 
- apresentar os resultados de análise em base seca;  
- ter  uma  forma  de  comprovar  periodicamente o correto funcionamento do sistema  normalmente atra vés da injeção automática de gases padrões;
- ter uma disponibilidade alta - o que  implica em robustez dos componentes  empregados  e  facilidade de mantê-los.
   
 A implementação dos CEMS pode ter muitas formas diferentes. Não existe forma perfeita alguma para fazer essa implementação, pois cada filosofia adotada acarreta em diversas considerações quanto ao atendimento dos requisitos mencionados. E é  justamente o  intuito deste artigo  investigar  essas  considerações  à  luz  das  principais filosofias de implementação  de um CEMS.
Serão abordados os CEMS do tipo:
- In situ -  transversal e de ponta.
- Extrativo - convencional e por diluição.
 
Para simplificar a matéria, os subsistemas de medição de opacidade/particulado, vazão e aquisição de dados não  serão abordados no escopo deste artigo. 
 
AS CONDIÇÕES DOS GASES A SEREM MEDIDOS

Os  gases  a  serem medidos  dentro  da  chaminé  têm uma composição que é basicamente constituída de CO2,N2, O2 e vapor de água, dos quais nenhum é considerado poluente. Dependendo do tipo de combustível usado e da eficiência de sua queima, as concentrações de gases poluentes  (CO, SO2, NOx,  etc.)  também  estão presentes. Além  desses  gases,  pode  existir  a  presença  de particulado  (fuligem) de composição e  tamanho variável. Os  gases  são  quentes  (temperaturas  ao  redor  de200°C são comuns) e saem da chaminé em grande volume e com uma velocidade respeitável. As  condições  específicas  dentro  da  chaminé  dependem  do  processo  (caldeira,  forno  incinerador,  etc.),  daeficiência do processo e do combustível. Em função disso, existe um mundo de diferença entre os projetos de um CEMS para uma caldeira de CO de uma  refinaria, ou de um incinerador de organoclorados, ou de uma simples turbina a gás natural, porque existe um enorme diferença entre as condições dos gases a serem medidos em cada um desses casos. O sucesso da implementação de um CEMS depende, em grande parte, da correta identificação dessas condições. Determinados gases  são  ácidos  e podem  corroer elementos do CEMS com os quais entrem em contato. O particulado pode  ser  abrasivo ou pegajoso, danificando ou entupindo elementos dos CEMS. Além disso, o calor, a vibração e a umidade são fatores que precisam ser considerados para fazer um projeto corretamente. O usuário precisa se concentrar inicialmente em determinar com precisão  as  condições  do  seu  processo,  antes  de  avaliar qualquer sistema de monitoração de emissões. 
 
SISTEMAS  IN SITU

Nos sistemas in situ, os gases são analisados dentro da chaminé, ou  seja, a câmara de medição do analisador  está  dentro  da  chaminé. A  grande  vantagem dessa  filosofia  é  que  a medição  é  totalmente  representativa, pois o gás não  sofre nenhuma ação externa que possa deturpar a sua medição. Dentro das técnicas de medição  in  situ,  existem duas  implementações diferentes. Uma é a chamada medição transversal e a outra é a medição de "ponta". Na medição transversal, uma luz,  (por exemplo, do espectro infravermelho) é gerada em um transmissor de um lado da chaminé. Diferentes técnicas são usadas para gerar a freqüência exata de luz que o gás de interesse tem a tendência de absorver. O feixe de luz atravessa a seção transversal da chaminé até chegar num receptor do outro lado. Durante esse percurso, o gás em questão absorve a luz, fazendo com que a energia que chega ao receptor não seja igual a que saiu do transmissor. A diferença entre a energia transmitida e recebida é proporcional à concentração do gás de interesse. Embora pareça uma situação ideal, existem fatores que podem influenciar na medição do gás. Por exemplo: a presença de particulado pode espalhar a luz ou mesmoabsorvê-la, afetando a medição. Além disso, é difícil certificar o funcionamento do instrumento, pois não tem como verificar a precisão através da injeção de gases de referência (não é prático esvaziar a chaminé e inundá-la com um gás de referência). A medição obtida também é de base úmida, é necessário medir a quantidade de vapor de água presente na chaminé para compensar a medição.  Isso poderia implicar na necessidade de mais um instrumento de análise. Variações na temperatura e pressão dentro da chaminé também podem afetar a medição. Quanto à correção do fator de diluição (i.e., medição da concentração de O2 na chaminé). alguns instrumentos já embutem essa análise no próprio analisador in situ como opcional, enquanto outros requerem a utilização de um outro instrumento à parte.
A dificuldade de verificar o funcionamento do sistema in situ transversal afeta a sua aceitação por muitos usuários. Para contornar esta situação, os fabricantes desenvolveram uma variação do instrumento, chamado in situ de ponta. Nesse instrumento, em vez de permitir que a luz atravesse a chaminé inteira, a luz atravessa um tubo de comprimento bem mais curto do que o diâmetro da chaminé. O tubo ou é totalmente aberto ou é revestido de um material que permite aos gases permear o seu interior. Um transceptor fixado numa das pontas do tubo contém tanto a fonte de luz, quanto o sensor receptor de luz. Um espelho fixado na outra ponta do tubo reflete a luz de volta para o receptor. Como o tubo tem um volume pequeno, é possível incluir uma válvula que permita que o seu interior seja inundado com gás padrão para a verificação do seu funcionamento. Chama-se esse instrumento de "ponta" porque,diferentemente do que o in situ transversal, que "enxerga" o gás em toda a seção transversal da chaminé (eliminando qualquer efeito de estratificação dos gases no interior da chaminé), o in situ de ponta
enxerga apenas uma seção pequena  (um ponto) do interior da chaminé.
 
 
Muitos instrumentos desse tipo aproveitam que o transceptor está totalmente no mesmo lado da chaminé, e utilizam técnicas analíticas sofisticadas para poder analisar múltiplos gases com um só instrumento. É razoavel mente comum encontrar instrumentos que usam rodas de filtros de correlação de gases (permitindo gerar luz de várias freqüências para medir vários gases e correlacionar os resultados contra células/filtros que contêm gases de referência) ou DOAS (Differential Optical AbsorptionSpectroscopy - onde uma grade oscilante é usada para gerar diferentes freqüências de luz) ou matrizes de diodos a laser (tunable diode laser - que seleciona as freqüências de luz dos gases de interesse). Um dos fatores mais importantes que deve ser considerado quando se utiliza um instrumento dessa natureza é o histórico de seu funcionamento. A razão é simples: o instrumento é montado no alto da chaminé, em lugar de difícil acesso (às vezes, apenas por uma escada de marinheiro), o que dificulta qualquer trabalho de manutenção que porventura tenha que ser feito. O instrumento é sujeito às piores condições ambientais possíveis a parte do exterior é exposta aos elementos (chuva, sol, vento,poeira, etc.) e a parte interior é sujeita a altas temperaturas, umidade, gases às vezes corrosivos, particulado que pode ser "grudento" ou abrasivo e, sobretudo, a emissão saindo em alta velocidade. Este último fator levar o instrumento a vibrar, comprometendo conexões, alinhamentos e outros fatores mecânicos do instrumento. Portanto, é conveniente ter certeza de que o instrumento utilizado é robusto e tem referências que comprovem a falta de necessidade de freqüentes intervenções de manutenção.
 




Um cuidado especial deve ser dado ao transporte e ao condicionamento da amostra, visando garantir que não perca a sua representatividade. Os cuidados incluem:  
AGUA -  É necessário garantir que a água presente na amostra não condense. A água na forma líquida pode combinar com o particulado, formando uma espécie de lama e entupindo os filtros, as válvulas e as linhas de amostragem. A água em forma líquida também pode dissolver alguns dos gases (dependendo da sua solubilidade). A maioria dos analisadores utilizados nesse tipo de sistema sofre danos se expostos à água, sendo, portanto, necessário removê-la antes de chegar nos analisadores. 
PARTICULADO - Quando se extrai uma amostra, se extrai particulado também. Como já dito, o particulado pode ser abrasivo, corrosivo ou "pegajoso" e o seu contato com os componentes do sistema tem que ser minimizado. A filtragem do particulado é a solução normal para este problema, mas a carga de particulado pode entupir os filtros com freqüência, resultando na necessidade de manutenção regular. Formas de autolimpeza dos filtros são empregadas para contornar essa situação.
 ACIDEZ - Alguns gases são ácidos, sendo, portanto, necessário usar materiais que resistam a umeventual ataque ácido, ou usando filtros de ácidospara eliminar o ácido antes que entre em contato com
elementos do sistema que não sejam resistentes. A manutenção desses gases, do seu ponto de orvalho,é uma das formas que diminui esse inconveniente, pois a maioria dos gases ácidos só se torna corrosiva quando condensa e se mistura com água.  
TEMPO DE RESPOSTA - É costume retirar a amostra através de uma sonda montada no alto do costado da chaminé, e encaminhar a amostra através de "tubing" até os sistema de condicionamento de amostra no solo. Esse transporte leva tempo, pois as distâncias envolvidas podem ser grandes dependendo da altura da chaminé e da localização dos analisadores. Em geral, esse tempo não é crítico e pode ser minimizado fazendo-se uso do chamado "fastloop"(circulação de amostra com descarte para atmosfera a uma vazão elevada). Porém, existe umcompromisso entre a diminuição do tempo de transporte pelo uso do "fast-loop" e a quantidade de amostra retirada, pois, quanto mais amostra se retira mais particulado vem junto e, assim, mais tratamento  necessário. A diminuição do tempo de transporte pode elevar a necessidade de intervenções de manutenção. Existem soluções de engenharia para todos esses casos, como veremos adiante na descrição os sistemas. Basicamente, existem dois tipos de sistemas extrativos: os sistemas de diluição e os sistemas xtrativos "convencionais".
  
SISTEMAS EXTRATIVOS

Os CEMS do tipo extrativos "extraem" uma amostra de dentro da chaminé e a conduz até o sistema analítico onde a amostra é condicionada para os analisadores. Esse tipo de sistema permite a verificação e a calibração através da injeção de gases de referência. Dependendo das exigências locais, o gás de referência é injetado diretamente nos analisadores (permitindo uma verificação dos analisadores) ou nas sondas de captação de amostra (permitindo uma verificação do sistema como um todo). Essas injeções podem ser automáticas ou manuais.
 
Sistema extrativos por diluição
 




Nos sistemas de diluição, a amostra é tirada da chaminé, onde o ar de diluição injetado na sonda (um espécie de venturi) causa um vácuo mais forte do que existe na chaminé, conseqüentemente, extraindo uma amostra. Um orifício calibrado de vidro é usado para garantir a razão de diluição de um volume de amostra em cem volumes de ar.  Uma vez diluído em tanto ar, o ponto de orvalho da amostra acaba sendo igual ao do ar. Isso elimina qualquer problema de condensação de água, reduz problemas de acidez (pois a concentração do gás é reduzida por um fator de cem) e permite o uso de vazões elevadas para diminuir o tempo de transporte. O uso de ar como meio de transporte simplifica o projeto eletromecânico do sistema de condicionamento, eliminando a necessidade de bombas de vácuo. O transporte da amostra té o nível do chão facilita o acesso aos analisadores e a sua manutenção. É bem mais "user friendly" manter um sistma no nível do chão, do que no alto de uma chaminé a dezenas de metros de altura.Nada neste mundo é perfeito e os sistemas de diluição apresentam uma série de outras considerações, a saber:
A precisão do sistema depende em grande parte da precisão do sistema de diluição. Ao diluir a amostra em cem volumes de ar, 100ppm de gás acaba se tornando 1 ppm na amostra transportada. Isto requer analisadores com faixas de medição cem vezes menores do que a faixa de medição da concentração normal do gás. Como se sabe, por menor que seja a escala de medição do analisador mais difícil é sua a manutenção. Este fato é complicado ainda mais pela redução nos limites de emissões permitidos pela legislação. Uma faixa de medição de ppm requerida pela legislação pode se transformar numa faixa de medição de ppb por causa do fator de diluição.  
A precisão do sistema também depende da ausência de poluentes no ar de diluição, pois a presença de 1ppm de um poluente no ar de diluição será interpretado como 100ppm desse poluente na amostra.
A razão da diluição depende da densidade do ar e da amostra. Mudanças climáticas e das condições de processo podem alterar diretamente a razão de diluição, afetando a precisão da medição.
 
   
  
Sistemas extrativos por bombeamento
 

 


O outro tipo de sistema extrativo utiliza uma bomba de vácuo para extrair a amostra. Nesse sistema a amostra é captada por uma  onda aquecida que tem um filtro de particulado. Uma linha aquecida (que mantém a temperatura da amostra acima do seu ponto de orvalho, evitando assim qualquer possibilidade de condensação) transporta a amostra até o nível do piso onde está o sistema de condicionamento e análise. Quando a amostra entra no sistema de condicionamento, é introduzida numa câmera de refrigeração (pode ser tipo geladeira ou pode ser um "peltier"). A súbita baixa de temperatura leva a água presente na amostra acondensar imediatamente. Esse condensado é constantemente removido do interior do resfriador por uma bomba do tipo peristáltica. Qualquer particulado não captado pelo filtro da sonda é tragado juntamente com o condensado. A água da amostra é totalmente removida, deixando uma amostra limpa e seca para ser analisada. Dessa forma, a análise ocorre em base seca como requerida pela legislação. Esta forma de amostragem e análise está exatamente de acordo com os "métodos analíticos" contidos na legislação da EPA, o que explica a grande difusão desse tipo de CEMS nos EUA. Existem considerações e cuidados de engenharia necessários quando se emprega esses sistemas. Os principais são:
Inclusão de uma forma de autolimpeza dos filtros da sonda - Utiliza-se "blowback" para evitar a necessidade de escalar a chaminé para limpar esses filtros cada vez que entupirem.
O emprego de linhas de amostragem aquecidas acima do ponto de orvalho do gás - Isto requer um cálculo desse ponto de orvalho, baseado na composição dos gases da chaminé; o emprego de linhas de transporte aquecidas, que garantam que não exista nenhum "ponto frio" no trajeto da linha, e que a linha esteja sempre em declive em direção ao sistema de condicionamento, para que qualquer água que porventura condense escorra para baixo e não se acumule no meio do caminho. 
O uso de um resfriador especificamente projetado para emprego em CEMS - Resfriadores desse tipo garantem um mínimo de contato dos gases com a água condensada, evitando que dissolvam. É comum encontrar conjuntos resfriador/bomba que garantam a eficiência de remoção de água, perdas insignificantes de gases e, ainda,contenham um sistema de intertravamento que desligue a bomba e soe um alarme, caso haja uma falha no conjunto. 
Cuidados com Gases Ácidos - A condensação de água no resfriador pode causar a formação de ácidos no seu interior. É importante, portanto, saber a composição dos gases para selecionar os materiais de todos os componentes que entram em contato com a amostra (principalmente o interior do resfriador e o diafragma da bomba). As soluções de engenharia para estas considerações são bastante conhecidas pelos fabricantes desse tipo de sistema. Contudo, mesmo assim, cabe um alerta ao usuário: é necessário passar dados precisos sobre o processo e a composição dos gases em todos os regimes de operação da planta para evitar problemas. Aliás, isto vale para qualquer um dos CEMS mencionados neste artigo. O fabricante não pode ser responsabiliza do por aquilo que não foi informado. Uma falha na informação pode fazer muita diferença na engenharia do sistema..

 
 
QUAL SISTEMA É MELHOR?
 
 
Não existe um melhor ou pior entre as diversas escolhas de tipos de CEMS. Existem sistemas mais e menos adequados para cada aplicação e, sobretudo, para cada usuário.
 
Se você vai usar um sistema in situ, tem que avaliar cuidadosamente quais gases tem que medir, a complexidade da solução, se a equipe de manutenção da planta vai dar conta do instrumento, quão acessível é o local onde o instrumento será localizado, se o particulado vai afetar a medição, e assim por diante.
 
No caso dos sistemas extrativos, o usuário tem que avaliar cuidadosamente os gases que estarão presentes. Deve-se perguntas: Algum deles é corrosivo? Existe qualquer exi gência de analisar um gás (tipo amônia) que dissolve facilmente em água (pois este provavelmente não chegara até os analisadores porque vai sair no resfriador)? Qual é o encaminhamento da sonda até o analisador? Qual é a carga de particulado? E assim por diante.
  
Não existe nenhuma regra simples que cubra todas as aplicações. Cada caso é um caso e cabe o usuário:
 
- Entender bem o seu processo. 
- Transmitir aos fornecedor os dados mais completos possíveis do seu processo.
- Entender bem as exigências da legislação local.  Discutir o assunto internamente de forma multidisciplinar (setores de instrumentação, manutenção, meio ambiente, laboratório, etc.).  
-Averiguar o grau de preparo dos fornecedores para assisti-lo no projeto, instalação, treinamento e serviço pós-venda.

Uma vez que o usuário entenda os pontos fortes e as limitações de cada sistema, pode avaliar qual deles melhor atende o conjunto de suas necessidades. A partir daí, "o melhor sistema" vai acabar se destacando.
 
REFERÊNCIA
Alipert J, SISTEMAS DE MONITORAÇÃO CONTÍNUA DE EMISSÕES - IN SITU OU EXTRATIVO? QUAL É MELHOR? Intech Brasil 62. 30-37
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