Schoorstenen bij kolencentrales hebben sensoren die continu hun uitstoot bewaken door de stroom van gassen zoals kooldioxide, kwik, zwaveldioxide, en stikstofoxiden. Door de federale wet, deze sensoren moeten elk jaar worden gekalibreerd. Ze zijn gekalibreerd met kleine, draagbare stroommeetapparatuur genaamd pitotbuizen.

Maar wetenschappers vermoeden dat er vrij grote onzekerheden zijn over de kalibratiemetingen die met de pitotbuizen worden uitgevoerd. En onzekerheden zullen een probleem zijn voor bedrijven als elektriciteitscentrales worden belast voor hun emissies in het kader van cap-and-trade-beleid.

Vooruitlopend op de eventuele noodzaak om de nauwkeurigheid van deze metingen te vergroten, en in overleg met het Electric Power Research Institute (EPRI), onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben nu de onzekerheden gemeten van de verschillende soorten pitotbuizen die nu worden gebruikt om sensoren voor rookgasemissie te kalibreren.

"Het doel van deze studie is om de industrie opties te geven, " zei Aaron Johnson van NIST. "Kunnen we de metingen verbeteren? Hoeveel beter? En kunnen we het goedkoop doen?"

Vechten tegen de werveling

Het meten van schoorsteenemissies vereist twee dingen:de concentratie van verontreinigende stoffen in een rookgas kennen en weten hoe snel het gas stroomt.

Onderzoekers zijn al tientallen jaren in staat om de concentratie van uitgestoten verontreinigende stoffen nauwkeurig te meten. Maar het verkrijgen van nauwkeurige stroommetingen was lastiger. Dit komt omdat voordat het wordt uitgezonden, rookgas reist meestal rond een scherpe bocht. De bocht zorgt voor gecompliceerde wervelingen en wervelingen die zelfs in hoge schoorstenen niet verdwijnen.

"De werveling houdt aan als je omhoog gaat, "Zei Johnson. "Dat vinden flowmeters niet leuk. Ze presteren erg slecht als je deze crossflow-componenten hebt."

Direct, om stroom te meten, schoorstenen zijn geïnstalleerd met een ultrasoon systeem dat een Continuous Emission Monitoring System (CEMS) wordt genoemd, die bestaat uit een paar apparaten die om de beurt ultrasone pulsen naar elkaar sturen van op en neer door de schoorsteen. In een richting, de echografie beweegt met de stroom mee en versnelt iets. In de andere richting, het reist er tegenaan en vertraagt ​​​​iets. Om de snelheid van het gas te berekenen, moet worden gemeten hoe lang het duurt voordat het ultrageluid in elke richting reist.

Pitotbuizen zijn kleine draagbare apparaten die meten hoe goed dit CEMS-echografiesysteem zijn werk doet. Elk jaar, technici gebruiken pitotbuizen om een ​​zogenaamde Relative Accuracy Test Audit (RATA) uit te voeren. Om de controle uit te voeren, ze steken een pitotbuis horizontaal in de schoorsteen. De buis heeft kleine gaatjes of poorten. Eén poort is direct in de gasstroom gericht en detecteert de druk die zich in de buis opbouwt. Hoe sneller de stroom, hoe hoger de druk; door de druk te meten, kunnen ze de snelheid van de stroom berekenen.

Als de pitotbuis dezelfde stroom meet als het ultrasone CEMS-apparaat, de energiecentrale slaagt voor de emissietest. Maar er zijn geen regels die vereisen dat de pitotbuizen zelf gekalibreerd worden. Als resultaat, het is niet zeker hoe nauwkeurig de CEMS- of de pitotbuismethoden zijn.

Geld sparen

De meest gebruikte pitotbuis wordt een "s-sonde" genoemd. Het heeft twee poorten die in tegengestelde richting wijzen. Eén poort wijst direct in de stroom. De andere punten direct weg van de stroom. De druk is hoger in de stroomopwaartse poort dan in de stroomafwaartse poort. Technici meten dit drukverschil en gebruiken het om de snelheid van de gasstroom te berekenen.

NIST-onderzoekers hebben dit type pitotbuis getest, evenals twee andere, de "prismasonde" en de "sferische sonde, " die beide vijf poorten hebben in plaats van twee.

Iosif Shinder van NIST test de drie sondes in een windtunnel, waarin de stroming met hoge precisie wordt gemeten.

Na te zijn gekalibreerd in de windtunnel, de pitotbuizen worden ook getest in de horizontale schoorsteensimulator van NIST, die wervelingen en wervelingen produceert die vergelijkbaar zijn met die in industriële schoorstenen.

Om de s-probe pitotbuizen in een schoorsteen te gebruiken, een RATA-technicus zorgt ervoor dat een van de gaten in de ware richting van de stroom staat. In praktijk, dit betekent het draaien van de sonde om de richting van het hoogste drukverschil te bepalen. Het proces, genaamd "yaw-nulling, " moet tientallen keren worden herhaald tijdens een RATA-test.

"Het is best arbeidsintensief, "Zei Johnson. Het is zo intensief dat een jaarlijkse kalibratie ter plaatse dagen kan duren om te voltooien. "En de energiecentrale verliest geld terwijl de RATA-testers er zijn, dus ze willen de technici zo snel mogelijk binnen en buiten hebben."

Door een proces aan te passen dat in andere industrieën wordt gebruikt, Shinder ontwikkelt een techniek die de noodzaak voor yaw-nulling elimineert. Het vereist een complexere kalibratie van de pitotbuizen in een laboratorium, maar Johnson en Shinder zeggen dat ze er zeker van zijn dat de besparingen door het verkorten van RATA-tests de extra kalibratiekosten zullen compenseren.

Johnson en Shinder waren ook geïnteresseerd in het verbeteren van de CEMS-echografiemethode zelf en meten hoeveel beter de metingen zouden zijn met een tweede paar ultrasone zender-ontvangers. Ze hebben een x-patrooninstallatie getest met twee paar ultrasone apparaten in plaats van één, zei Johnson. "Met het x-patroon, je compenseert crossflow."

De onderzoekers zijn van plan om deze zomer hun bevindingen te testen in een werkende schoorsteen van de industrie. Naast kolencentrales, Johnson zei dat de cement- en papierproductie-industrieën de nieuwe informatie mogelijk ook kunnen gebruiken.