Системи за непрекъснат мониторинг на прахови частици

Като замърсител праховите частици (PM) включват пепел, прах и бързо агломериращи се аерозоли от различни промишлени процеси, отделящи се в атмосферния въздух под формата на емисии от изпускащи устройва. Сред основните източници на прахови частици са изгарянето на въглища, нефт, бензин, дизелово гориво, дървесина, биомаса, както и високотемпературните индустриални процеси като топене и стоманолеене. Съставът на частиците е силно променлив и може да включва вещества като сулфати, нитрати, водородни и амониеви йони, елементен въглерод, силициев диоксид, алуминиев оксид, органични съединения, микроелементи, следи от метали, свързана вода и биогенни органични съединения.

Инсталирането и експлоатацията на системи за непрекъснат мониторинг на емисиите на прахови частици (PM CEMS) в индустриалните процеси е добре развита и често срещана практика през последните 30 години, отговаряща на актуалните нормативни изисквания. Оборудването за непрекъснат мониторинг на емисиите се инсталира не само за постигане на съответствие със законодателството, но и с цел следене на експлоатационните характеристики на инсталациите, изчисляване на инвентаризациите на емисиите и изготвяне на оценки на въздействието върху околната среда.

Размерът и количеството на отделените прахови частици в димните газове, получени при изгарянето на горива или отпадъци, зависи от типа гориво и от дизайна на инсталацията. С въвеждането на емисионни норми, дефинирани като масови концентрации (изразени в mg/m³), въпросът за непрекъснатото наблюдение на праховите частици става все по-належащ.

Технологии за непрекъснат мониторинг
Основните аналитични принципи, използвани в инструментите за измерване на концентрациите на прах, са определяне на непрозрачност, разсейване на светлината, бета абсорбция, наелектризиране на сондите. PM CEMS, базирани на тези технологии, трябва да бъдат калибрирани чрез гравиметрично и изокинетично пробовземане, за да се осигури непрекъснатото измерване на концентрациите на прах, изразени в mg/m³. В действителност гравиметричното пробовземане е единственият метод, който дава реалната концентрация. То се състои в отделяне на частичен газов поток през сонда с филтърна глава. Съдържанието на прах се определя чрез претегляне на прахоуловителя преди и след извличането. Гравиметричното пробовземане се извършва изокинетично – това означава, че събраните частици се движат със същата скорост в пробовземната дюза, както и навсякъде другаде в потока. Това увеличава точността и надеждността на резултатите.

Непрозрачност. Уредите за измерване на коефициента на потъмняване (непрозрачност) определят понижаването на интензитета на светлината, дължащо се на абсорбцията и разсейването съгласно закона на Ламберт-Беер при преминаване на светлинен сноп през газовия поток. Основният работен принцип на тези инструменти е, че лъч видима светлина се насочва да премине през газовия поток към приемащата оптика. Тя измерва намаляването на светлинния интензитет, а електронната апаратура преобразува сигнала в изходен резултат. Тези уреди измерват плътността на дима и представят непрозрачността, оптичната плътност (екстинкцията) и/или масовата концентрация на праховите частици в mg/Nm³.

Разсейване на светлината. Разсейването се дължи на отразяване и пречупване на светлината от частицата. Количеството разсеяна светлина зависи от концентрацията на частиците и техните свойства, например размер, форма и цвят. Ако дължината на вълната на преминаващата светлина е много по-голяма от радиуса на частицата, се получава вид разсейване, наречено разсейване на Релей. Ако дължината на вълната на преминаващата светлина е с приблизително същата големина като радиуса на частицата, ще се получи разсейване на Мие. Апаратите, работещи на този принцип, измерват разсейването на светлината в определена посока (напред, странично или назад) и извеждат сигнал, пропорционален на количеството прахови частици в потока. Концентрацията на праха се получава чрез корелация на изходния сигнал на инструмента с ръчни гравиметрични измервания.

Бета абсорбция. β-измервателните уреди са единствените системи, които непрекъснато измерват масовата концентрация на частиците чрез екстракция. Частиците се събират изокинетично върху филтърна лента, след което се проследява промяната в предаването на β-частици от радиоактивен източник. Съдържащият прахови частици газ се извлича от въздуховода/комина чрез малка дюза, като дебитът се контролира благодарение на система от датчици. Уловените частици попадат върху непрекъснато движеща се лепкава лента, която се подлага на β-лъчение за определяне на масата на частиците. Двата основни компонента на системата за измерване на β-абсорбцията са източникът на лъчение, най-често въглерод-14, и детекторът. Има много различни типове детектори, които могат да определят броя на β-частиците, но най-често използваните са Гайгер-Мюлеровият брояч и фотодиодният детектор. Бета системите не осигуряват краткосрочен динамичен мониторинг на праховите частици, а измерването само в една точка може невинаги да е представително. Измерванията се извършват спрямо референтно измерена стойност в mg/m3.

Трибоелектричен ефект. Работещите на този принцип устройства засичат три отделни ефекта, възникващи при сблъсък или преминаване на частица в близост до поставен в газовия поток проводник: 1) при сблъсък на частицата с проводника между тях преминава заряд; 2) при сблъсък в резултат на силата на триене на повърхностите възниква заряд; 3) в резултат на преминаването на заредените частици близо до проводника в него възниква еквивалентен, но разноименен на техния заряд. Количеството заряд, генериран вследствие на първите два ефекта, зависи от скоростта на частицата, нейната маса и с какъв заряд е била частицата преди това. При третия ефект зарядът е индуктивен и размерът му зависи от близостта на частицата до проводника.

Тъй като реакцията на сондата е чувствителна към скоростта на газа, тези системи са най-подходящи за ситуации, при които дебитът е относително постоянен. Наелектризирането на сондата не е много успешно в газови потоци, съдържащи водни капчици, или когато частиците са обект на променлив електрически заряд. Инструментите, чийто работен принцип се основава на трибоелектричния ефект, са много чувствителни към ниските концентрации на частици. Те работят най-добре, когато праховите частици са непроводящи. Подобно на други уреди за мониторинг на прах, и тези системи трябва да се калибрират спрямо метода на пробовземане на всеки отделен обект.

Електродинамични устройства. Подобно на други уреди, базирани на наелектризиране, тук сензорът измерва тока, създаван от частиците, които се сблъскват или преминават до заземена сензорна сонда, поставена в изпускащото устройство. Електронният датчик филтрира така генерирания постоянен ток и измерва средноквадратичния сигнал в рамките на оптимизирана честотна лента, който се получава от минаващите покрай сондата частици. Този сигнал, който не зависи от състоянието на повърхността на сондата, има стабилна и повторяема корелация с концентрацията на прах в много видове индустриални приложения. Тъй като сигналът не зависи от сблъсъка на частиците (за разлика от трибоелектричните инструменти), проблемите, свързани със замърсяването на сондата и зависимостта от скоростта, се свеждат до минимум. При приложения, в които зарядът, размерът и разпределението на частиците остават постоянни, полученият променлив ток е пропорционален на концентрацията на прах.

Сравнение на технологиите
Въвеждането на пределно допустими концентрации на емисиите, изразени в mg/m3, налага използването на PM CEMS в промишлените предприятия. Един от основните фактори за постигането на добри резултати от измерванията е да се гарантира, че използваните инструменти са подходящи за конкретното приложение. Уредите, определящи разсейването на светлината, като цяло могат да измерват много по-ниски емисии, отколкото инструментите за непрозрачност и поради това са подходящи за процеси, в които се използват високоефективни ръкавни филтри. Устройствата, работещи на база наелектризиране на сондата, могат да се използват за измерване на нива на прах под 0,1 mg/m3. В случай че частиците са заредени вследствие на използването на електрофилтър, уредите с наелектризиране на сондата не са приложими. Като алтернативно решение могат да се ползват инструментите, измерващи разсейването на светлината.

Ефективността на всяка една от разгледаните технологии за непрекъснат мониторинг на концентрацията на прахови частици зависи от конкретното приложение. Всяко от решенията има своите предимства и недостатъци за отделните случаи. Затова изборът на технология за дадена инсталация трябва да се ръководи от отношението между работните й параметри и подходящите технически характеристики на устройството за мониторинг.