نظام مراقبة الانبعاثات المستمر

تُستخدم أنظمة الرصد المستمر للانبعاثات ( CEMS ) كأداة لرصد تيارات الغازات المنبعثة من عمليات الاحتراق في العمليات الصناعية. تستطيع هذه الأنظمة قياس مستويات الأكسجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون في غازات المداخن ، مما يوفر معلومات ضرورية للتحكم في الاحتراق في البيئات الصناعية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} كما تُستخدم هذه الأنظمة كوسيلة للامتثال لمعايير انبعاثات الهواء، مثل برنامج الأمطار الحمضية التابع لوكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) ، ^{[ 3 ]} وبرامج الانبعاثات الفيدرالية الأمريكية الأخرى، أو معايير الانبعاثات المسموح بها على مستوى الولايات. تتألف أنظمة مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) عادةً من أجهزة تحليل لقياس تركيزات الغازات في التيار، ومعدات لتوجيه عينة من هذا التيار الغازي إلى أجهزة التحليل في حال كانت بعيدة، ومعدات لمعالجة عينة الغاز بإزالة الماء والمكونات الأخرى التي قد تؤثر على القراءة، ونظام أنابيب هوائي مزود بصمامات يمكن التحكم بها بواسطة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) لتوجيه عينة الغاز من وإلى أجهزة التحليل، ونظام معايرة وصيانة يسمح بحقن غازات المعايرة في خط العينة، ونظام جمع ومعالجة البيانات (DAHS) الذي يجمع ويخزن كل نقطة بيانات ويجري الحسابات اللازمة لحساب إجمالي انبعاثات الكتلة. يعمل نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) باستمرار حتى في حال توقف العملية التي يقيسها. فهو قادر على جمع وتسجيل بيانات الانبعاثات والإبلاغ عنها بشكل متواصل لأغراض مراقبة العمليات و/أو لأغراض الامتثال.

يتكون نظام مراقبة الانبعاثات المستمر (CEM) القياسي من مسبار أخذ العينات، ومرشح ، وخط أخذ العينات ( الوصلة )، ونظام معالجة الغاز، ونظام غاز المعايرة ، ومجموعة من أجهزة تحليل الغاز التي تعكس المعايير المراد رصدها. تشمل الانبعاثات النموذجية التي يتم رصدها: ثاني أكسيد الكبريت ، وأكاسيد النيتروجين ، وأول أكسيد الكربون ، وثاني أكسيد الكربون ، وكلوريد الهيدروجين ، والجسيمات العالقة في الهواء ، والزئبق ، والمركبات العضوية المتطايرة ، والأكسجين . كما يمكن لأنظمة CEM قياس تدفق الهواء، وعتامة غازات المداخن ، والرطوبة . ويُشار إلى نظام الرصد الذي يقيس الجسيمات العالقة باسم نظام مراقبة الانبعاثات المحمول (PEMS).

في الولايات المتحدة، تشترط وكالة حماية البيئة وجود نظام لجمع البيانات ومعالجتها والإبلاغ عنها. ويمكن تحويل قياسات التركيز إلى كتلة/ساعة بإضافة قياسات معدل التدفق. وتعتمد أنواع الغازات المقاسة والحسابات المطلوبة على نوع المصدر، ولكل نوع من أنواع المصادر قسم فرعي خاص به ضمن البندين 60 و75 من قانون اللوائح الفيدرالية (40 CFR). ^{[ 4 ]} SOيتم قياس الانبعاثات بوحدة رطل في الساعة باستخدام كل _من SO_جهازان لمراقبة تركيز الملوثاتوجهاز لمراقبة التدفق الحجمي. بالنسبة _{لأكاسيد} النيتروجين (NOx)،يُستخدم كل من جهاز مراقبة تركيز ملوثات أكاسيد النيتروجين وجهاز مراقبة غاز التخفيف لتحديد معدل الانبعاثات بالوزن لكل وحدة حجم أو الوزن لكل وحدة قيمة حرارية (على سبيل المثال، رطل/مليون وحدة حرارية بريطانية، رطل/قدم_مكعب^،كجم/كيلوواط ساعة، أو كجم/م³⁾. قد تكون قياسات العتامة مطلوبة أحيانًا، وذلك حسب نوع المصدر._ثانيأكسيد الكربون (CO₂مطلوبًا في بعض الأحيان، ولكن في حال مراقبته،_ثانيأكسيد الكربونأو الأكسجين بالإضافة إلى جهاز مراقبة التدفق. يجب أن يكون نظام DAHS قادرًا على جمع البيانات وتسجيلها وتخزينها، عادةً على فترات دقيقة واحدة. ولأغراض الامتثال، يجب أن يعمل نظام DAHS بشكل مستمر على مدار الساعة طوال أيام السنة حتى في حال عدم تشغيل أي عملية. وللحصول على قياس صحيح، يجب أن يسجل نظام DAHS قراءة واحدة على الأقل كل 15 دقيقة لمدة 3 فصول من أصل 4. ثم يتم حساب متوسط ​​القراءات كل ساعة. ^{[ 5 ]}

تُسحب عينة صغيرة من غازات الاحتراق، بواسطة مضخة ، إلى نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEM) عبر مسبار خاص. غالبًا ما تستخدم المنشآت التي تحرق الوقود الأحفوري مسبارًا للتخفيف والاستخلاص لتخفيف العينة بهواء نظيف وجاف بنسبة تتراوح عادةً بين 50:1 و200:1، ولكنها غالبًا ما تكون 100:1. يُستخدم التخفيف لأن غازات الاحتراق النقية قد تكون ساخنة ورطبة، ولزجة مع بعض الملوثات. بعد التخفيف إلى النسبة المناسبة، تُنقل العينة عبر خط عينة (يُشار إليه عادةً باسم "الأنبوب السري") إلى مشعب، ومنه يمكن لأجهزة التحليل الفردية سحب عينة. تستخدم أجهزة تحليل الغاز تقنيات متنوعة لقياس التركيزات بدقة. تشمل بعض التقنيات الشائعة الاستخدام: امتصاص الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، والتألق الكيميائي ، والتألق ، وامتصاص أشعة بيتا . بعد التحليل ، يخرج الغاز من جهاز التحليل إلى مشعب مشترك لجميع أجهزة التحليل، حيث يُصرّف إلى الخارج. يستقبل نظام جمع البيانات ومعالجتها (DAHS) إشارة الإخراج من كل محلل من أجل جمع وتسجيل بيانات الانبعاثات . ^{[ 6 ]}

تُعرف طريقة أخرى لاستخلاص العينات، تُستخدم في المصادر الصناعية ومصادر المرافق ذات معدلات الانبعاثات المنخفضة، باسم "الاستخلاص الجاف" أو "الاستخلاص الجاف الساخن" أو "نظام مراقبة الانبعاثات المستمر المباشر". لا تُخفف العينة، بل تُنقل عبر خط عينات مُسخن عند درجة حرارة عالية إلى وحدة تهيئة العينات. تُصفى العينة لإزالة الجسيمات العالقة وتُجفف، عادةً باستخدام مُبرد ، لإزالة الرطوبة . بعد التهيئة، تدخل العينة إلى مشعب أخذ العينات وتُقاس بواسطة أجهزة تحليل غازات مختلفة، عادةً أكاسيد _{النيتروجين} والأكسجين (وأحيانًا أول _أكسيد الكربون) لتوربينات الاحتراق والمحركات التي تعمل بالغاز الطبيعي أو الديزل. تعمل أجهزة تحليل أكاسيد النيتروجين _عادةً باستخدام التلألؤ الكيميائي . أما أجهزة تحليل _{الأكسجين} فتستخدم مجالًا مغناطيسيًا يجذب الأكسجين لقياس تركيزه. يتسبب الأكسجين في حركة مرآة معلقة داخل جهاز التحليل _{، مما يُغير كمية الضوء المنعكس من تلك المرآة على خلية ضوئية. تتناسب كمية التيار اللازمة} لإعادة المرآة إلى مركزها طرديًا مع _تركيز الأكسجين . إن القدرة على قياس نسبة الأكسجين في العينة ضرورية لإجراء الحسابات المطلوبة. 

تُثبت دقة النظام بعدة طرق. يتم إجراء فحص داخلي لضمان الجودة من خلال إدخال تركيز معتمد من الغاز يوميًا إلى مسبار العينة. ثم تُقارن قراءة نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) بالتركيز المعروف للوصول إلى نسبة خطأ المعايرة. كما تُؤخذ قراءة للغاز عند الصفر وتُقارن أيضًا. إذا تجاوزت نسبة خطأ المعايرة ضعف مواصفات الأداء لمدة 5 أيام متتالية، أو أربعة أضعاف مواصفات الأداء خلال 24 ساعة، يُعتبر نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة خارج نطاق التحكم، مما يعني أنه لا يمكن الاعتماد على دقة البيانات حتى يُعاد النظام إلى وضعه الطبيعي. سيتم استخدام استبدال البيانات خلال فترات خروج النظام عن نطاق التحكم. ونظرًا لأن طريقة استبدال البيانات غير مُجدية عمومًا، فمن الضروري إعادة نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة إلى وضعه الطبيعي في أسرع وقت ممكن. 

تسمح وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) أيضًا باستخدام أنظمة معايرة مراقبة الانبعاثات المستمرة التي تُخفف الغازات لإنتاج معايير المعايرة. ^{[ 7 ]} يجب أن تكون قراءة المحلل دقيقة بنسبة مئوية معينة. قد تختلف نسبة الدقة، ولكن معظمها يتراوح بين 2.5% و5%. في محطات توليد الطاقة المتأثرة ببرنامج الأمطار الحمضية، يجب أن تُجرى عملية اعتماد سنوية (أو نصف سنوية) للنظام بواسطة شركة مستقلة. ستُشغّل الشركة نظام مراقبة انبعاثات مستمر (CEM) مستقلًا مؤقتًا لجمع بيانات الانبعاثات بالتوازي مع نظام مراقبة الانبعاثات المستمر (CEMS) الخاص بالمحطة. يُشار إلى هذا الاختبار باسم تدقيق اختبار الدقة النسبية (RATA).

في الولايات المتحدة، يجب الإبلاغ عن التقييمات الدورية للمعدات وتسجيلها. ^{[ 5 ]} يشمل ذلك اختبارات أخطاء المعايرة اليومية، واختبارات التداخل اليومية لأجهزة مراقبة التدفق، واختبارات RATA والانحياز نصف السنوية (أو السنوية). ^{[ 8 ]} معدات نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) باهظة الثمن، وقد لا تكون في متناول المنشأة دائمًا. في مثل هذه الحالات، تقوم المنشأة بتركيب معدات تحليل غير متوافقة مع معايير وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) عند نقطة الانبعاثات. مرة واحدة سنويًا، ولتقييم المعدات، تقوم شركة متخصصة في أنظمة مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS) المتنقلة بقياس الانبعاثات باستخدام معدات متوافقة. ثم تُقارن النتائج بنظام التحليل غير المتوافق. ^{[ 9 ] [ 10 ]}