In collaborazione con l'industria, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno completato il primo test nel mondo reale di un modo potenzialmente migliore per misurare le emissioni delle ciminiere nelle centrali elettriche a carbone. I ricercatori presenteranno il loro lavoro questa settimana alla Conferenza internazionale sulla misurazione del flusso del 2019 (FLOMEKO) a Lisbona, Portogallo.

Ogni anno, per soddisfare i requisiti stabiliti dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA), le centrali elettriche a carbone devono sottoporre a verifica le emissioni dei camini, o controllati da una terza parte indipendente. I ricercatori del NIST volevano rendere questo test più veloce per risparmiare denaro agli impianti durante i loro audit, migliorando anche la precisione dei sensori. Così, un team del NIST ha progettato nuove sonde per rilevare le portate di emissione e un nuovo metodo di misurazione che potrebbe potenzialmente accelerare gli audit in loco di un fattore 10, dicono i ricercatori.

I risultati del lavoro sul campo sono stati "promettenti, " ha detto l'ingegnere del NIST Aaron Johnson, ed erano in ragionevole accordo con i risultati di laboratorio. "Siamo rimasti sorpresi; ha funzionato abbastanza bene rispetto a quello che l'EPA ha sui suoi libri come metodo di 'migliori pratiche'".

Per monitorare le emissioni delle centrali elettriche a carbone, i tecnici devono misurare la velocità con cui i fumi vengono emessi dalla ciminiera. Il flusso all'interno della ciminiera contiene vortici e vortici ma generalmente viaggia verso l'alto. Nei test del NIST, quattro sonde, chiamate tubi di Pitot, sono inserite orizzontalmente nella ciminiera.

Le quattro sonde effettuano ciascuna una misurazione del flusso in quattro punti diversi, per un totale di 16 misurazioni. Con queste informazioni, Gli scienziati del NIST potrebbero testare la precisione e l'accuratezza di un nuovo metodo di progettazione e misurazione del tubo di Pitot.

Il NIST ha condotto questo lavoro come parte di un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo (CRADA) con l'Electric Power Research Institute (EPRI), un'organizzazione senza scopo di lucro indipendente i cui membri includono società di servizi elettrici, imprese e agenzie governative.

"Le unità di generazione elettrica a carbone possono trarre vantaggio dall'attuale lavoro del NIST avendo standard e tecniche migliorati per misurare le emissioni di massa in modo più accurato, con maggiore sicurezza che tutte le entità riferiscano in modo uniforme, " ha affermato il responsabile del programma EPRI Tom Martz. Ha aggiunto che il potenziale risparmio di tempo "non è qualcosa che possiamo quantificare con precisione in questo momento, ma questo sarà un obiettivo chiave del lavoro futuro".

L'obiettivo finale è fornire ricerche che l'EPA potrebbe un giorno sviluppare in un nuovo standard per la calibrazione delle emissioni dei camini.

"I vantaggi per l'industria sono che ridurrà i tempi e i costi dei test e ha il potenziale per essere più accurata" rispetto alle attuali sonde standard del settore, ha detto Johnson.

Anche se l'EPA non crea un nuovo standard, però, il lavoro potrebbe avere benefici per l'industria, fornendo alle aziende di centrali elettriche più scelte per la gestione dei loro test sulle emissioni. "Il nostro obiettivo è scriverlo come uno standard EPA, " Johnson ha detto. "Ma spetta ancora ai membri del settore decidere se vogliono usarlo".

Seguire la corrente

Le ciminiere delle centrali elettriche a carbone sono dotate di monitor che misurano continuamente la concentrazione delle emissioni di gas di scarico, che includono anidride carbonica, mercurio, anidride solforosa e ossidi di azoto, così come la portata dei fumi. Per legge federale, i sensori di portata integrati devono essere calibrati, ovvero verificata l'accuratezza, durante l'audit annuale.

Per eseguire la calibrazione annuale, i revisori utilizzano piccoli dispositivi portatili chiamati tubi di Pitot. I tecnici di audit salgono sulla ciminiera - di solito alta diverse decine di metri (centinaia di piedi) - e inseriscono le loro sonde di Pitot orizzontalmente nei gas che si fanno strada su per la ciminiera. Prendono diverse letture del flusso in vari punti all'interno di una sezione trasversale dello stack, che è tipicamente di 7 o 8 metri (25 piedi) di diametro.

Il tipo di sensore di gran lunga più comune utilizzato per questo lavoro è una "sonda a S". Ha due fori, o porti. Una porta si affaccia direttamente sul flusso del gas e rileva la pressione che si accumula nel tubo. L'altra porta è rivolta nella direzione opposta. Più veloce è il flusso, maggiore è la differenza di pressione tra le due porte; misurare questa differenza di pressione consente agli auditor di calcolare la velocità del flusso.

Le sonde S non richiedono calibrazione, ma ogni misurazione può richiedere diversi minuti, poiché il tecnico deve ruotare manualmente il sensore finché un lato non è rivolto direttamente nel flusso. Questo è complicato perché il flusso non viaggia necessariamente direttamente verso l'alto nel punto da testare. Alla base della pila, i fumi di solito viaggiano intorno a una curva stretta, che crea vortici e vortici complicati che non vanno via nemmeno in alte ciminiere.

L'utilizzo delle sonde S è così laborioso che una calibrazione annuale in loco può richiedere un giorno o più per essere completata. "E la centrale sta perdendo soldi tutto il tempo che i revisori sono lì, quindi vogliono i tecnici dentro e fuori il più velocemente possibile, " ha detto Johnson.

Per accelerare questo processo, gli scienziati del NIST hanno fatto tre innovazioni. Primo, hanno creato due nuovi modelli di tubi di pitot, con cinque fori invece di due, che funzionano meglio delle sonde S e possono offrire vantaggi rispetto ad altri modelli di tubi di Pitot a cinque fori attualmente in uso.

Le sonde, progettato dal fisico del NIST Iosif Shinder, sono disponibili in due forme:emisferica e conica.

Secondo, gli scienziati hanno sviluppato uno schema di calibrazione per i loro nuovi sensori che non richiede che un tecnico ruoti la sonda all'interno di una ciminiera per trovare la vera direzione del flusso per ogni misurazione. Così, anche se i sensori dovrebbero essere calibrati prima dell'uso, richiederebbero molto meno tempo da utilizzare durante un audit effettivo.

Terzo, Jim Filla del NIST ha sviluppato un software compatibile con un sistema automatizzato disponibile in commercio per misurare il flusso in tempo reale.

Il vero affare

Fino ad ora, le prestazioni delle nuove sonde erano state misurate solo presso la struttura di prova del NIST, che include un simulatore di ciminiera in scala e una galleria del vento. Ma i laboratori del NIST non possono replicare tutti gli aspetti di una vera centrale elettrica, come la presenza di fuliggine nel flusso della ciminiera.

"Un conto è testarlo nella nostra galleria del vento, " Johnson ha detto. "Un altro è prepararsi a testarlo in uno stack che è di 120 gradi F."

La prima corsa sul campo, nel luglio 2018, ha avuto luogo in un impianto di gas naturale, dove il flusso è relativamente semplice da misurare.

Il secondo, a settembre 2018, è stato condotto in una centrale elettrica a carbone con un flusso particolarmente complicato.

L'impianto a carbone aveva una piattaforma chiusa dove i tubi di Pitot venivano inseriti nella ciminiera. Ma la piattaforma dell'impianto di gas naturale era aperta agli elementi. E a circa 45 metri (145 piedi) in aria, "le cose tremano, ", ha detto il tecnico del NIST Joey Boyd. "Mentre lavori, la pila sta ondeggiando, e il pavimento sotto di te si muove."

Quando i ricercatori del NIST hanno analizzato i dati, i loro risultati erano promettenti, concordando entro il 2% con i loro risultati di laboratorio.

"Le sonde si sono comportate altrettanto bene nella ciminiera come hanno fatto nella struttura di prova del NIST, " ha detto Johnson.

I futuri test sul campo aiuteranno i ricercatori a risolvere il problema più grande che hanno avuto:l'intasamento dei sensori, in cui le porte dei tubi di Pitot si riempiono di acqua e particolato e devono essere lavate prima che il test possa continuare.

Anche, il lavoro ha insegnato loro che avevano bisogno di scrivere un software speciale che segnalasse alla loro attrezzatura ogni volta che c'era uno "spurgo, un getto d'aria ad alta pressione attraverso la sonda pitot che potrebbe danneggiare una parte fondamentale dell'apparato se alcune valvole non fossero chiuse in tempo .