Dispositivo para determinar la concentración de partículas condensables y filtrables por muestreo isocinético en fuentes estacionarias

ES 2 615 504 B1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 21 Número de publicación: 2 615 504 Número de solicitud: 201500767 51 Int. CI.: G01N 15/06 (2006.01) 12 PATENTE DE INVENCIÓN B1 54 Título: Dispositivo para determinar la concentración de partículas condensables y filtrables por muestreo isocinético en fuentes estacionarias 73 Titular/es: UNIVERSIDAD DE SEVILLA (100.0%) Pabellón de Brasil, Po. de las Delicias s/n 41012 Sevilla (Sevilla) ES 72 Inventor/es: CANO PALACIOS , Mercedes ; NAVARRETE RUBIA , Benito ; PLUMED RUBIO , Antonio ; VEGA BORRERO , Fernando ; ALONSO FARIÑAS , Bernabé ; MORIANA MORALES , Rafael y CAMINO FERNÁNDEZ , José Antonio 22 Fecha de presentación: 21.10.2015 43 Fecha de publicación de la solicitud: 07.06.2017 Fecha de la concesión: 05.04.2018 45 Fecha de publicación de la concesión: 12.04.2018 56 Se remite a la solicitud internacional: PCT/ES2016/000115 57 Resumen: La presente invención tiene por objeto un dispositivo que permite la determinación de la concentración de las partículas condensables presentes en las emisiones de fuentes estacionarias mediante método de muestreo por dilución, así como la concentración de partículas filtrables por muestreo isocinético en simultáneo y/o de manera independiente. Se encuadra en el campo de la tecnología energética y ambiental, concretamente en el sector de la medida y control de la contaminación atmosférica. Se puede realizar consulta prevista por el art. 37.3.8 LP 11/1986. Aviso: Dispositivo para determinar la concentracion de particulas condensables y filtrables por muestreo isocinetico en fuentes estacionarias. 5 OBJETO DE LA INVENCIoN La presente invenciOn tiene por objeto un dispositivo que permite la determinacion de la concentraciOn de las particulas condensables presentes en las emisiones de fuentes estacionarias mediante metodo de muestreo por diluciOn, asi como la concentraci6n de particulas filtrables por muestreo isocinetico en simultaneo y/o de manera 10 independiente. Se encuadra en el campo de la tecnologia energetica y ambiental, concretamente en el sector de la medida y control de la contaminacion atmosferica. ESTADO DE LA TECNICA 15 A lo largo de los Oltimos 30 atios, se han elaborado diversos estudios a escala internacional que han puesto de manifiesto la importante problernatica medioambiental asociada al aumento de la concentraci6n de particulas finas en el aire y su incidencia sobre la salud humana. Es necesario considerar que el termino material particulado atmosferico es un 20 concepto amplio que engloba tanto las particulas en suspensiOn, como las particulas sedimentables (diametro > 20 pm), caracterizadas estas Oltimas por un corto tiempo de residencia en la atmosfera. Las dimensiones de las particulas en suspensi6n son variables, algunas de estas particulas como son las de polvo, hollin, humo y neblinas son apreciables a simple vista, sin embargo otras son tan pequefias que para 25 detectarlas es necesaria la utilizaciOn de un microscopio electrOnico. Puntualizando, mas en la linea de la definiciOn de particulas emitidas por fuentes estacionarias de grandes procesos de combustion, se entienden como fuente estacionaria toda instalacion o actividad establecida en un solo lugar, que desarrolle 30 operaciones o procesos industriales, que emitan contaminantes a la atmosfera, el agua o el suelo. Atendiendo a una clasificaciOn mas especifica de las particulas, se puede distinguir:  ES 2 615 504 B1 2 DESCRIPCIÓN a) Materia particulada filtrable (MPF) es la fracciOn particulada (estado sOlido o liquido) formada a temperatura del gas en chimenea y que puede ser retenida en un filtro (EPA. Method 202-Dry lmpinger Method 5 for Determining Condensable Particulate Emissions from Stationary Sources. 2010) y que se pueden capturar con sistemas de medidas de particulas estandar, tales como el metodo 5 o 17 de la EPA (Method 5. Determination of Particulate Matter Emissions from Stationary. Method 17. Determination of Particulate Matter Emissions From Stationary) o el 10 europeo UNE-EN 13284:2002 (Emisiones de fuentes estacionarias. Determinaci6n de particulas a baja concentraci6n. Parte 1: Metodo gravimetrico manual). b) Materia particulada condensable (MPC), por definicion segian el 15 organismo Enviromental Protection Agency (EPA) de Estado Unidos, es la materia que en condiciones de chimenea se encuentra en fase vapor, pero que condensa y/o reacciona tras enfriamiento y dilucion en el aire ambiente para formar particulas solidas o liquidas inmediatamente despues de la descarga de chimenea. Actualmente para la medida de 20 MPC se pueden usar diferentes sistemas de captura, tales como los definidos en el metodo 202 (absorbedores) ( Method 202-Dry lmpinger Method for Determining Condensable Particulate Emissions from Stationary Sources. 2010) o en el metodo ISO 25597:2013 (dilucion) (Stationary source emissions.Test method for determining PM2,5 and 25 PM10 mass in stack gases using cyclone samplers and sample dilution). Un estudio elaborado por la Enviromental Protection Agency (EPA) en 1983, puso de manifiesto el interes por conocer la contribucion de fuentes estacionarias a las emisiones de particulas como particulas condensables, en este sentido la organizaci6n, realizO un informe en el que se pone de relieve la importancia 30 cuantitativa de las emisiones de particulas condensables frente a las filtrables (EPA. Estimation of the importance of condensed particulate matter to ambient particulate levels. 1983). Otros estudios como el publicado por el programa Clean Air for Europe (CAFE) en Mayo 2004, puso de manifiesto en sus conclusiones el riesgo que presentan para la salud la existencia de particulas inhalables en el ambiente, y sugiri6 35 la imposiciOn de limites a las emisiones de PM10 y el control de la concentraciOn de  ES 2 615 504 B1 3 PM2,5 (Amann M, Bertok I, Cofala J, Gyarfas F, Heyes C, Klimont Z, et al. Two Draft Baseline Scenarios for the Clean Air for Europe (CAFE) Program Part 1: Explanatory notes Note : 2004; (May):1-29). Segun normativa ISO 25597:2013, las particulas PM10 pueden definirse como la masa de particulas que atraviesa un cabezal de 5 tamano selectivo para un diametro aerodinamico de 10 pm con una eficiencia de carte del 50 %. La misma definiciOn para cabezales de corte de 2,5 pm y 0,1 pm se aplica para PM2,5 y PM0,1, respectivamente (ISO 25597:2013. Stationary source emissions.Test method for determining PM2,5 and PM10 mass in stack gases using cyclone samplers and sample dilution.). 10 En este sentido, un creciente aumento en el interes, principalmente en los ultimos atios, de los 'Daises industrializados por esta problematica, conduce a la consideraciOn y desarrollo de una legislacion cada vez mas estricta y rigurosa en materia de emisiones de particulas finas. Sobre este particular, cabe destacar, que los actuales controles de PM2,5 e inferiores efectuados par la Comunidad Europea en las grandes 15 instalaciones de combustion no estan teniendo en cuenta el impacto provocado por emisiones de las particulas PM2,5 e inferiores clasificadas coma particulas condensables y que estarian englobadas en este subgrupo. Salo se determinan las particulas filtrables, dejando a un lado las condensables (Lee SW. Fine particulate matter measurement and international standardization for air quality and emissions 20 from stationary sources. Fuel. Elsevier; 2010;89(4):874-82). Los metodos de referencia actuales para toma de muestra de particulas filtrables tales coma el metodo americano EPA Method 5 "Determination of particulate matter emissions from stationary sources", el metodo ISO 9096:2003 "Stationary source 25 emissions. Manual Determination of mass concentration of particulate matter" y el metodo europeo UNE-EN 13284-1:2001 "Emisiones de fuentes estacionarias. Determinaci6n de particulas a baja concentraciOn. Parte 1: Metodo gravimetrico manual" permiten determinar la concentraciOn de particulas en focos estacionarios mediante tecnicas de filtracion en caliente. Debido a esta tecnica de toma de muestra, 30 la fracciOn de particulas primarias determinadas no incluye par definicion la fraccion de particulas condensables, de tal manera que la masa de MPC no esta incluida generalmente en el calculo de los factores de emisi6n de materia particulada. Se hace necesario pues, distinguir entre los distintos sistemas que existen en la 35 actualidad para cuantificar las emisiones de particulas condensables. Sabre este  ES 2 615 504 B1 4 particular, se han desarrollado a lo largo de los Oltimos atios, diferentes metodos de toma de muestra de particulas condensables en fuentes estacionarias. Cabe diferenciar principalmente entre los metodos basados en la captaci6n de particulas condensables en absorbedores (p.ej, EPA Method 202), que emplean una solucion 5 captadora en ban° con hielo para producir la condensaciOn y captaci6n de particulas condensables, y los metodos basados en sistemas de diluciOn y captacion de particulas condensables generadas sobre filtros, mediante extraccion de una muestra de la corriente de gases objeto de estudio, diluciOn de la misma con aire ambiente purificado (prefiltrado y deshumidificado) o gases comprimidos puros generando un 10 entomb gaseoso con una composiciOn similar a las de penachos reales o gases de escape (p.ej, EPA Conditional Test Method CTM-039), siendo este ultimo, el sistema de muestreo que mayor auge este teniendo, puesto que representa fielmente las condiciones de generacion de las particulas condensables en el penacho cuando se difunde en la atmosfera, frente a la problematica de aparici6n de interferencias que se 15 genera mediante el uso de absorbedores, ya que, tienden a sobreestimar las emisiones de particulas condensables, debido a que ciertas especies gaseosas reaccionan con la solucion absorbente quedando retenidas en esta y por tanto son susceptibles de ser medidas como particulas condensables. 20 En este context° y teniendo en cuenta la dificultad que presentan los metodos de muestreo de particulas condensables para cuantificar con exactitud y repetibilidad sus emisiones, se recurre a metodos de muestreo basados en sistemas de diluciOn. Recientemente el organismo International Organization for Standarization (ISO) ha desarrollado una norma internacional, ISO 25597:2013 para el muestreo y analisis de 25 emisiones en fuentes estacionarias nnediante el uso de ciclones para la nnedida de particulas PM2,5 y PM10. Esta norma internacional proporciona una metodologia para medida de particulas filtrables y condensables usando un tren de muestreo por diluciOn pero en la actualidad no existe un diserio que permita realizar la determinacion de particulas condensables de forma independiente con respecto a las particulas 30 filtrables en fuentes estacionarias. La presente invencion trata de resolver la imposibilidad actual de cuantificar, de forma exclusiva las particulas condensables presentes en las emisiones de fuentes estacionarias, permitiendo asi, la posibilidad de estudiar las problematicas 35 medioambientales generadas por estas y las acciones a realizar para su abatimiento.  ES 2 615 504 B1 5 La presente invenciOn proporciona la posibilidad de determinar particulas condensables en fuentes estacionarias mediante un tren de muestreo compacto y facilmente transportable, y que permite como principal novedad eliminar la 5 interferencia producida por cuantificar como condensables las posibles particulas filtrables PM2,5 e inferiores que hayan superado el cid& PM2,5 que propone la normativa vigente ISO 25597:2013 o el metodo condicional CTM-039, ademas de proporcionar la oportunidad de cuantificar en las emisiones la concentraciOn de MPF en simultaneo y de manera independiente a la MPC. 10 DESCRIPCIoN DE LAS FIGURAS Figura 1.- Esquema de cada uno de los principales elementos que componen el tren 15 de muestreo de MPC/MPF de acuerdo con la invenciOn. Componentes: 20 25 30 35 (1) Juego de boquillas. (2) Juego portafiltros pianos acero inoxidable. (3) Juego portafiltros dedal acero inoxidable. (4) Sonda isocinetica MPC. (5) Sensor de temperatura de chimenea. (6) Valvula regulacion caudal gas de muestra. (7) Portacono de mezcla (8) Cono mezcla (9) Camara de residencia. (10) Portafiltro MPC 70. (11) Sensor de temperatura gas mezcla. (12) Sensor de humedad. (13) Soplante de aspiraci6n. (14) Deshumidificador. (15) Venturi aire dilucion. (16) Sensor de temperatura venturi aire. (17) Sensor humedad. (18) Filtro HEPA. (19) Valvula regulacion aire.  ES 2 615 504 B1 6 DESCRIPCION DE LA INVENCION 5 La presente invenciOn tiene par objeto un dispositivo compuesto par boquillas (1), portafiltros para MPF (2,3), sonda isocinetica MPC (4), cono (8) y portacono (7) de mezcla, camara de residencia (9), portafiltros para MPC (10), soplante de aspiraciOn 10 (13), elementos de control (5,6,11,12), deshumidificador (14), venturi de aire de diluciOn (15), filtro HEPA (18) y elementos auxiliares de control (16,17,19), para la determinacion simultanea y/o independiente de las emisiones de materia particulada condensable (MPC) mediante muestreo por diluciOn y la determinaci6n de partIculas filtrables (MPF) mediante el uso de un portafiltros en chimenea en fuentes 15 estacionarias durante un mismo ensayo de toma de muestra. Este dispositivo permite la cuantificacion de MPC eliminando las interferencias producidas par MPF, ademas de cuantificar el total de las particulas emitidas como suma de MPF y MPC. Las parficulas condensables son generadas mediante enfriamiento y condensaciOn del 20 gas de muestra extraido de la chimenea con aire ambiente debidamente acondicionado. La concentracion de partIculas filtrables es determinada mediante muestreo isocinetico y captaciOn de particulas mediante filtro en chimenea. 25 El dispositivo permite: 1. Determinacion isocinetica en simultaneo de forma exclusiva e independiente de MPF y MPC. 2. Determinacion exclusiva de MPC. 3. Determinacion isocinetica exclusiva de MPF. 30 35 En el caso 2 no es requerido el muestreo isocinetico. Debido a que las particulas condensables par definicion se encuentran en fase vapor en condiciones de chimenea, el isocinetismo no debe de afectar a la medida de estas, dada que en la boquilla de muestreo la MPC no se comporta como particulas sino coma gas. La figura 1 muestra un listado de cada uno de los principales componentes. La clasificacion de los principales elementos se realizara distinguiendo entre  ES 2 615 504 B1 7 componentes que conforman la linea de gas de muestra (1-13), y los que constituyen la linea de aire de diluciOn (14-19). Las particulas presentes en las emisiones de fuentes estacionarias pueden ser 5 muestreadas isocineticamente mediante el uso de la sonda isocinetica MPC (4) que adernas Ileva incorporado un sensor para la determinaciOn de la temperatura de los gases de chimenea (5). Durante un muestreo, el gas problema es filtrado mediante un filtro para MPF alojado en un portafiltros (2,3) dispuesto en cabeza de la sonda y dentro del conducto por el que circula el gas a muestrear. Una vez filtrada la alicuota 10 extraida de este, el caudal de gas es regulado usando una valvula (6) y es vehiculado a traves de la linea calefactada de la sonda donde se determinara el caudal de aspiracion mediante la lectura de presi6n diferencial en el venturi incorporado en la sonda. Posteriormente el gas pasa al conjunto portacono-cono de mezcla (7,8) donde se inyecta aire atmosferico a un caudal medido mediante un venturi (15) y regulado 15 por una valvula (19). Este aire proviene de un deshumidificador (14) y ha sido filtrado mediante un filtro HEPA (18) para simular la atm6sfera del lugar de muestreo. Los correspondientes sensores de temperatura (16) y humedad (17) permitiran evaluar el correct° acondicionamiento del aire a lo largo de la linea. El caudal de gas problema aspirado mediante la soplante de aspiraci6n (13) se ajusta para realizar el ensayo de 20 toma de muestra dentro del rango permitido de ratio de dilucion y, en el caso de requerir que el muestreo sea realizado en condiciones de isocinetismo para la determinaci6n de MPF, este ajuste de caudal vendra ademas impuesto por la boquilla (1) calculada para mantener el porcentaje de isocinetismo entomb al 100% en cada muestreo. 25 Posteriormente la mezcla gas de muestra-aire de dilucion originada en el cono de mezcla pasa a traves de una camara de residencia tubular (9) donde manteniendo unas condiciones de humedad y temperatura controladas, mediante el uso de sensores (11,12), se generaran las particulas condensables en las condiciones 30 adecuadas y con el tiempo de residencia necesario. En el extremo posterior de la camara de residencia, las particulas condensables generadas durante el paso del gas por esta, son retenidas sobre un filtro para MPC previamente tratado y pesado alojado en el portafiltro MPC 70 (10). 35 El control de los principales parametros durante el periodo de toma de muestra, tales como temperatura de los distintos elementos del tren, del gas de muestra o del aire de diluciOn, asi como la humedad relativa en cada punto de interes a lo largo del tren de  ES 2 615 504 B1 8 muestreo y presiones diferenciales para el calculo de caudal y velocidad de gas, se realiza mediante los diferentes elementos de medida y control que acompatian at tren de muestreo. Estos elementos de medida, tales como medidores de presion diferencial, controladores y medidores de temperatura y de humedad permitiran 5 monitorizar adernas de forma instantanea a lo largo de cada ensayo la temperatura, velocidad y caudal de gas en el conducto en cada momento. For Ultimo, una diferencia de pesada permitira determinar la masa total de MPC y MPF retenidas en los filtros durante la toma de muestra y estas junto con la medida del 10 volumen de gas muestreado permitiran determinar su concentracion en las emisiones. A continuacion se detallan las especificaciones tecnicas y principales caracteristicas de los componentes del dispositivo objeto de la invenciOn: Juego de boquillas (1). Para efectuar el muestreo isocinetico de los gases, se 15 desarrolla un juego de boquillas intercambiables de acero inoxidable 316 que puedan ser acopladas a un prolongador con forma de cuello de cisne, que ira a su vez ensamblado a la sonda isocinetica correspondiente. Portafiltros para particulas filtrables (2,3). Para la realizaciOn de la determinacion de 20 MPF es necesario emplear diversos disetios de portafiltro en funciOn de la concentracion esperada de particulas en la corriente gaseosa: a) Portafiltros pianos fabricados en acero inoxidable 316 para alojamiento de filtros pianos. b) Portafiltros de dedal tambien fabricados en acero inoxidable 316 para filtros de 25 dedal. Sonda isocinetica MPC (4). La sonda isocinetica MPC es una importante novedad incorporada at tren de muestreo. Es el elemento que permite transferir el gas muestreado desde el interior de la chimenea o conducto hasta la entrada at cono de 30 mezcla adernas de proporcionar una medida fiable de la alicuota de gas problema tomada para cada ensayo mediante el uso de un venturi interno y determinar velocidad, caudal y temperatura del gas problema en las condiciones del conducto. Esta sonda consta de una linea intercambiable roscada de acero inoxidable 316 con diametro interior de 12 mm, que puede ser calefactada hasta una temperatura de 35 180°C. La sonda tambien Ileva incorporado un tubo pitot tipo S desmontable, que puede ser ubicado en dos posiciones a 90° en fund& de Si el conducto es horizontal o  ES 2 615 504 B1 9 1, caracterizado porque el portafiltros MPC (10) es usado como soporte para un filtro piano de 70 mm de diametro. 4. Dispositivo para determinar la concentracion de particulas condensables y 5 filtrables par muestreo isocinetico en fuentes estacionarias segun reivindicaciOn 1 caracterizado por incorporar una Unica soplante de aspiraciOn (13) para la realizacion de la mezcla gas de muestraaire de diluciOn en la relaciOn de caudales deseado. 10 5. Dispositivo para determinar la concentraciOn de particulas condensables y filtrables par muestreo isocinetico en fuentes estacionarias, seg On reivindicaciones anteriores, caracterizado por el uso de transmisores de temperatura (16) y humedad (17) para el acondicionamiento y control de las condiciones de humedad y temperatura tanto del gas coma del aire de diluciOn.  ES 2 615 504 B1 16  ES 2 615 504 B1 17