Em colaboração com a indústria, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) concluíram o primeiro teste do mundo real de uma maneira potencialmente melhorada de medir as emissões de chaminés em usinas termelétricas a carvão. Os investigadores apresentam o seu trabalho esta semana na International Flow Measurement Conference 2019 (FLOMEKO) em Lisboa, Portugal.

Cada ano, para atender aos requisitos definidos pela Agência de Proteção Ambiental (EPA), as usinas movidas a carvão devem ter suas emissões de chaminés auditadas, ou verificados por um terceiro independente. Os pesquisadores do NIST queriam tornar este teste mais rápido para economizar dinheiro das plantas durante suas auditorias, ao mesmo tempo, melhorando a precisão dos sensores. Então, uma equipe do NIST projetou novas sondas para detectar taxas de fluxo de emissão e um novo método de medição que poderia potencialmente acelerar as auditorias no local por um fator de 10, pesquisadores dizem.

Os resultados do trabalho de campo foram "promissores, "disse o engenheiro do NIST Aaron Johnson, e estavam em concordância razoável com os achados laboratoriais. "Ficamos surpresos; ele se saiu muito bem em comparação com o que a EPA tem em seus livros como seu método de 'melhores práticas'."

Para monitorar as emissões de usinas movidas a carvão, os técnicos precisam medir a taxa na qual o gás de combustão é emitido pela chaminé. O fluxo dentro da chaminé contém redemoinhos e redemoinhos, mas geralmente viaja para cima. Nos testes NIST, quatro sondas - chamadas tubos pitot - são inseridas horizontalmente na chaminé.

Cada uma das quatro sondas mede o fluxo em quatro pontos diferentes, para um total de 16 medições. Com esta informação, Os cientistas do NIST podem testar a precisão e exatidão de um novo projeto de tubo pitot e método de medição.

O NIST conduziu este trabalho como parte de um acordo cooperativo de pesquisa e desenvolvimento (CRADA) com o Electric Power Research Institute (EPRI), uma organização independente sem fins lucrativos cujos membros incluem empresas de energia elétrica, empresas e agências governamentais.

"Unidades geradoras de energia elétrica a carvão podem se beneficiar do trabalho atual do NIST por ter melhores padrões e técnicas para medir as emissões de massa com mais precisão, com maior confiança de que todas as entidades estão relatando em uma base uniforme, "disse o gerente do programa EPRI Tom Martz. Ele acrescentou que a economia de tempo potencial" não é algo que possamos quantificar com precisão neste momento, mas este será um objetivo fundamental do trabalho futuro. "

O objetivo final é fornecer pesquisas que a EPA possa algum dia desenvolver em um novo padrão para calibração de emissões de chaminés.

"As vantagens para a indústria são que ele reduzirá o tempo e o custo do teste e terá o potencial de ser mais preciso" do que as sondas padrão da indústria atuais, Disse Johnson.

Mesmo que a EPA não crie um novo padrão, Contudo, o trabalho pode trazer benefícios para a indústria ao fornecer às usinas de energia mais opções para gerenciar seus testes de emissões. "Nosso objetivo é fazer com que seja escrito como um padrão EPA, "Disse Johnson." Mas ainda cabe aos membros da indústria decidir se eles querem usá-lo. "

Vá com o fluxo

As chaminés em usinas termelétricas a carvão são equipadas com monitores que medem continuamente a concentração das emissões de gases de combustão, que incluem dióxido de carbono, mercúrio, dióxido de enxofre e óxidos de nitrogênio, bem como a taxa de fluxo do gás de combustão. Por lei federal, os sensores de taxa de fluxo integrados precisam ser calibrados, ou seja, verificada quanto à precisão - durante a auditoria anual.

Para realizar a calibração anual, os auditores usam pequenos dispositivos portáteis chamados tubos pitot. Os técnicos de auditoria escalam a chaminé - geralmente várias dezenas de metros (centenas de pés) de altura - e inserem suas sondas pitot horizontalmente nos gases que sobem pela chaminé. Eles fazem várias leituras do fluxo em vários pontos dentro de uma seção transversal da pilha, que tem normalmente 7 ou 8 metros (25 pés) de diâmetro.

De longe, o tipo mais comum de sensor usado para este trabalho é uma "sonda S". Tem dois orifícios, ou portas. Uma porta está voltada diretamente para o fluxo de gás e detecta a pressão que se acumula no tubo. A outra porta está voltada para a direção oposta. Quanto mais rápido o fluxo, quanto maior a diferença de pressão entre as duas portas; medir essa diferença na pressão permite que os auditores calculem a velocidade do fluxo.

As sondas S não requerem calibração, mas cada medição pode levar vários minutos, já que o técnico deve girar manualmente o sensor até que um lado esteja voltado diretamente para o fluxo. Isso é complicado porque o fluxo não está necessariamente viajando diretamente para cima no ponto que está sendo testado. Na base da pilha, gás de combustão geralmente viaja em torno de uma curva fechada, que cria turbilhões e redemoinhos complicados que não desaparecem nem mesmo em altas chaminés.

O uso de pontas de prova S é tão trabalhoso que uma calibração anual no local pode levar um dia ou mais para ser concluída. "E a usina está perdendo dinheiro o tempo todo em que os auditores estão lá, então eles querem que os técnicos entrem e saiam o mais rápido possível, "Disse Johnson.

Para acelerar este processo, os cientistas do NIST fizeram três inovações. Primeiro, eles criaram dois novos modelos de tubos pitot, com cinco furos em vez de dois, que têm um desempenho melhor do que as sondas S e podem oferecer vantagens sobre outros modelos de tubos pitot de cinco orifícios atualmente em uso.

As sondas, projetado pelo físico do NIST Iosif Shinder, vêm em duas formas:hemisférica e cônica.

Segundo, os cientistas desenvolveram um esquema de calibração para seus novos sensores que não exige que um técnico gire a sonda dentro de uma chaminé para encontrar a verdadeira direção do fluxo para cada medição. Então, embora os sensores tenham que ser calibrados antes do uso, eles levariam muito menos tempo para usar durante uma auditoria real.

Terceiro, Jim Filla, do NIST, desenvolveu um software compatível com um sistema automatizado disponível comercialmente para medir o fluxo em tempo real.

The Real Deal

Até agora, o desempenho das novas sondas foi medido apenas nas instalações de teste do NIST, que inclui um simulador de chaminé de modelo em escala e um túnel de vento. Mas os laboratórios do NIST não podem replicar todos os aspectos de uma usina de energia real, como a presença de fuligem no fluxo da chaminé.

"Uma coisa é testá-lo em nosso túnel de vento, "Johnson disse." Outra é se preparar para testá-lo em uma pilha de 120 graus F. "

A primeira corrida de campo, em julho de 2018, aconteceu em uma usina de gás natural, onde o fluxo é relativamente simples de medir.

O segundo, em setembro de 2018, foi conduzido em uma usina movida a carvão com um fluxo particularmente complicado.

A usina a carvão tinha uma plataforma fechada onde os tubos pitot eram inseridos na chaminé. Mas a plataforma da usina de gás natural estava aberta às intempéries. E a cerca de 45 metros (145 pés) no ar, "as coisas tremem, "disse o técnico do NIST Joey Boyd." Enquanto você está trabalhando, a pilha está balançando, e o chão abaixo de você está se movendo. "

Quando os pesquisadores do NIST analisaram os dados, seus resultados foram promissores, concordando com 2% de seus achados laboratoriais.

"As sondas funcionaram tão bem na chaminé quanto nas instalações de teste do NIST, "Disse Johnson.

Futuros testes de campo ajudarão os pesquisadores a resolver o maior problema que tiveram:entupimento do sensor, em que as portas dos tubos de pitot ficam grudadas com água e partículas e precisam ser enxaguadas antes que o teste possa continuar.

Também, o trabalho os ensinou que eles precisavam escrever um software especial de sinalização para seus equipamentos toda vez que houvesse uma "purga - um jato de ar de alta pressão através da sonda pitot que poderia danificar uma parte importante do aparelho se certas válvulas não fossem fechadas a tempo .