Les cheminées des centrales électriques au charbon sont équipées de capteurs qui surveillent en permanence leurs émissions en mesurant le débit de gaz tels que le dioxyde de carbone, Mercure, le dioxyde de soufre, et les oxydes d'azote. Par la loi fédérale, ces capteurs doivent être calibrés chaque année. Ils sont calibrés avec de petits, appareils de mesure de débit portables appelés tubes de Pitot.

Mais les scientifiques soupçonnent qu'il existe des incertitudes assez élevées sur les mesures d'étalonnage effectuées avec les tubes de Pitot. Et les incertitudes seront un problème pour les entreprises si les centrales électriques sont facturées pour leurs émissions dans le cadre de politiques de plafonnement et d'échange.

En prévision du besoin éventuel d'augmenter la précision de ces mesures, et en collaboration avec l'Electric Power Research Institute (EPRI) , des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont maintenant mesuré les incertitudes des différents types de tubes de Pitot actuellement utilisés pour étalonner les capteurs d'émission de cheminée.

"Le but de cette étude est de donner des options à l'industrie, " a déclaré Aaron Johnson du NIST. " Pouvons-nous améliorer les mesures ? Combien mieux ? Et pouvons-nous le faire à moindre coût ?"

Combattre le tourbillon

Mesurer les émissions des cheminées nécessite deux choses :connaître la concentration de polluants dans un gaz de combustion et savoir à quelle vitesse le gaz s'écoule.

Les chercheurs ont pu mesurer avec précision la concentration des polluants émis pendant des décennies. Mais obtenir des mesures de débit précises a été plus délicat. C'est parce qu'avant d'être émis, les gaz de combustion se déplacent généralement autour d'un virage serré. Le virage crée des tourbillons et des tourbillons compliqués qui ne disparaissent pas même dans les grandes cheminées.

"Le tourbillon persiste à mesure que vous montez, " a déclaré Johnson. " Les débitmètres n'aiment pas ça. Ils fonctionnent très mal lorsque vous avez ces composants à flux croisés."

À l'heure actuelle, mesurer le débit, les cheminées sont installées avec un système à ultrasons appelé système de surveillance continue des émissions (CEMS), qui se compose d'une paire d'appareils qui s'envoient à tour de rôle des impulsions ultrasonores de haut en bas de la cheminée. Dans un sens, les ultrasons se déplacent avec le flux et accélèrent légèrement. Dans l'autre sens, il se déplace contre lui et ralentit légèrement. Le calcul de la vitesse du gaz nécessite de mesurer combien de temps il faut aux ultrasons pour se déplacer dans chaque direction.

Les tubes de Pitot sont de petits appareils portables qui mesurent l'efficacité de ce système à ultrasons CEMS. Chaque année, les techniciens utilisent des tubes de Pitot pour effectuer ce qu'on appelle un audit de test de précision relative (RATA). Pour effectuer l'audit, ils insèrent un tube de Pitot dans la cheminée horizontalement. Le tube a de petits trous ou ports. Un port fait directement face au flux de gaz et détecte la pression qui s'accumule dans le tube. Plus le débit est rapide, plus la pression est élevée; la mesure de la pression leur permet de calculer la vitesse du flux.

Si le tube de Pitot mesure le même débit que le dispositif CEMS à ultrasons, la centrale réussit son test d'émissions. Mais il n'y a pas de règles qui exigent que les tubes de Pitot eux-mêmes soient calibrés. Par conséquent, on ne sait pas exactement à quel point la méthode CEMS ou celle du tube de Pitot sont précises.

Économiser de l'argent

Le tube de Pitot le plus couramment utilisé est appelé « sonde ». Il a deux ports qui pointent dans des directions opposées. Un port pointe directement dans le flux. Les autres points directement à l'opposé du flux. La pression est plus élevée dans le port amont que dans le port aval. Les techniciens mesurent cette différence de pression et l'utilisent pour calculer la vitesse du flux de gaz.

Les chercheurs du NIST ont testé ce type de tube de Pitot ainsi que deux autres, la "sonde prismatique" et la "sonde sphérique, " qui ont tous deux cinq ports au lieu de deux.

Iosif Shinder du NIST teste les trois sondes dans une soufflerie, dans lequel le débit est mesuré avec une grande précision.

Après avoir été calibré en soufflerie, les tubes de Pitot sont également testés dans le simulateur de cheminée horizontale du NIST, qui produit des tourbillons et des tourbillons similaires à ceux des cheminées industrielles.

Pour utiliser les tubes de Pitot s-probe dans une cheminée, un technicien RATA s'assure que l'un des trous fait face à la vraie direction du flux. En pratique, cela signifie faire tourner la sonde pour déterminer la direction de la différence de pression la plus élevée. Le processus, appelé "lacet-nulling, " doit être répété des dizaines de fois lors d'un test RATA.

"C'est assez laborieux, " a déclaré Johnson. C'est tellement intensif qu'un étalonnage annuel sur site peut prendre des jours. " Et la centrale électrique perd de l'argent tout le temps que les testeurs RATA sont là, ils veulent donc que les techniciens entrent et sortent le plus rapidement possible. »

En adaptant un procédé utilisé dans d'autres industries, Shinder développe une technique qui élimine le besoin d'annuler le lacet. Elle nécessite un étalonnage plus complexe des tubes de Pitot en laboratoire, mais Johnson et Shinder se disent convaincus que les économies réalisées grâce au raccourcissement des tests RATA compenseront les dépenses d'étalonnage supplémentaires.

Johnson et Shinder étaient également intéressés par l'amélioration de la méthode à ultrasons CEMS elle-même et mesurent à quel point les mesures seraient meilleures avec une deuxième paire d'émetteurs-récepteurs à ultrasons. Ils ont testé une installation en X utilisant deux paires d'appareils à ultrasons au lieu d'un, dit Johnson. "Avec le motif x, vous compensez les flux croisés."

Les chercheurs s'arrangent pour tester leurs découvertes dans une cheminée industrielle en activité cet été. En plus des centrales électriques au charbon, Johnson a déclaré que les industries de production de ciment et de papier pourraient également être en mesure d'utiliser les nouvelles informations.