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Monitoraggio del metano nei capannoni di stoccaggio dei fanghi: misurazione NDIR per un LEL affidabile

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Rischio di esplosione nel locale dei fanghi: quando i sensori “perdono la vista”. L’idrogeno solforato e l’umidità spesso trasformano il monitoraggio convenzionale del metano in un rischio per la sicurezza.

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I capannoni destinati ai fanghi nei settori chimico e del trattamento delle acque reflue nascondono un pericolo spesso sottovalutato: i fanghi di depurazione rilasciano continuamente metano (CH₄). In condizioni di ventilazione sfavorevoli, la concentrazione di CH₄ può raggiungere localmente livelli critici per la sicurezza. Poiché il limite inferiore di esplosività (LEL) del metano è pari a soli 4,4% in volume, è indispensabile un monitoraggio affidabile e continuo del metano – come requisito fondamentale del GefStoffV, BetrSichV e delle norme tecniche pertinenti TRGS 720 e TRBS 2152 Parte 1/TRGS 721 (Atmosfere esplosive pericolose). In questo articolo illustriamo come Fresenius Umwelttechnik realizzi tale monitoraggio del CH₄, rilevante ai fini della sicurezza, in un capannone di trattamento dei fanghi – e perché la scelta del principio di misura determina se si ottiene affidabilità o un falso allarme.

Situazione iniziale: l’atmosfera dei fanghi di depurazione come sfida di misurazione

Nel capannone dei fanghi del nostro caso applicativo si verificano contemporaneamente diversi fattori sfavorevoli: elevata umidità, polvere, temperature variabili fino a 50 °C nel gas campione e una matrice gassosa complessa composta da CH₄, H₂S, CO₂ e O₂. L’area è classificata come zona Ex in conformità alla direttiva ATEX 2014/34/UE e alla serie di norme EN 60079.

A prima vista, il compito di misurazione sembra semplice: rilevare il metano nell’intervallo 0–10% in volume, in modo che gli allarmi possano essere attivati in modo affidabile al di sotto del LEL. In pratica, tuttavia, la selettività e la stabilità a lungo termine determinano se un analizzatore fornisce valori affidabili nel funzionamento continuo – oppure diventa un rischio a causa della sensibilità incrociata e dell’avvelenamento del sensore.

Perché NDIR anziché pellistore? Sicurezza grazie alla selettività

I classici sensori a pellistore (perla catalitica) sono ampiamente utilizzati nei sistemi industriali di allarme gas. Tuttavia, nell’atmosfera di un impianto di trattamento dei fanghi raggiungono i propri limiti fisici:

- Avvelenamento da H₂S: l’idrogeno solforato provoca la disattivazione dell’elemento catalitico e quindi valori di misura sistematicamente bassi – un rischio critico per la sicurezza nel monitoraggio del LEL.

- Esposizione a silicone e silossani: le emissioni dei fanghi di depurazione contengono spesso silossani, che danneggiano irreversibilmente il pellistore e ne riducono drasticamente la durata.

- Carenza di ossigeno: i pellistori necessitano di O₂ per la combustione catalitica. Se il contenuto di ossigeno scende al di sotto di circa il 10–15% in volume, il segnale si abbassa – anche se il metano è ancora presente.

- Mancanza di specificità: un pellistore rileva qualsiasi gas combustibile – non è in grado di distinguere il metano dagli altri idrocarburi, il che può portare a falsi allarmi.

La spettroscopia infrarossa non dispersiva (NDIR) aggira strutturalmente questi punti deboli. Il metano assorbe la radiazione infrarossa in modo caratteristico a circa 3,3 µm – un intervallo di lunghezze d’onda in cui né l’H₂S né la CO₂ presentano bande di assorbimento dominanti. Utilizzando un approccio a doppio raggio con un canale di riferimento a una lunghezza d’onda non assorbente, il segnale del metano viene corretto per compensare la deriva e le influenze della matrice. Il risultato: una misurazione selettiva e immune da avvelenamento del CH₄ che rimane stabile anche in atmosfere contenenti H₂S e CO₂.

La nostra soluzione: GA210 con campo di misura LEL adattato

Per questa applicazione ci affidiamo all’analizzatore di gas GA210 di Fresenius Umwelttechnik nella versione LEL con tecnologia NDIR a doppio raggio. Anziché un campo di misura standard fino al 100% in volume, l’analizzatore è ottimizzato per il CH₄ compreso tra 0 e 10% in volume – proprio l’intervallo rilevante ai fini della sicurezza intorno al LEL del 4,4% in volume. Grazie alla geometria ottimizzata della cella di misura e alla valutazione adattata della curva caratteristica, la risoluzione e la precisione sono pienamente disponibili all’interno della finestra critica.

Parametri
Design

Componente misurato
CH₄ (metano)

Intervallo di misura
0–10% in vol.

Principio di misura
NDIR a doppio raggio con rilevatore di riferimento

Risoluzione
0,1% in vol.

Limite di rilevamento
0,5% in vol.

Incertezza di misura
≤ 3% del valore misurato

Tempo di risposta (Tₐ₀, analizzatore)
circa 3 s

Intervallo di misura
Ogni secondo (continuo)

Compensazione della pressione
0,7–1,1 bar abs.

Cella di misura
Stabilizzata a una temperatura di 45 °C

Sensibilità incrociata
Nessuna nei confronti di H₂S e CO₂

Pompa del gas campione
Interna, circa 4 l/min

Uscita analogica
4–20 mA (integrazione PLC)

Regolazione del punto zero
1 volta al giorno, circa 2 min, automatica con aria ambiente

Tempo di risposta: un sistema estrattivo è sufficientemente veloce per il monitoraggio del LEL?

Con i sistemi di misura estrattivi – ovvero quei sistemi in cui il gas campione viene convogliato all’analizzatore tramite una linea di campionamento – sorge legittimamente la domanda: il tempo di risposta complessivo è sufficiente per un monitoraggio del LEL rilevante ai fini della sicurezza? La risposta deriva da tre fattori.

Fattore 1: la dinamica dell’aumento del metano nel volume del capannone

I capannoni per i fanghi hanno in genere un volume compreso tra diverse centinaia e diverse migliaia di metri cubi. Anche in caso di un improvviso evento di degassamento, la concentrazione di CH₄ nel volume del capannone aumenta in modo relativamente lento: la diluizione nell’ampio volume del capannone funge da tampone naturale. Un aumento dal livello ambientale alla soglia di preallarme di 0,88% in volume (20% LEL) richiede in pratica alcuni minuti, non secondi. La questione decisiva non è quindi se l’analizzatore reagisca in 3 o in 30 secondi, ma se il sistema nel suo complesso rilevi in modo affidabile l’aumento di concentrazione prima che venga raggiunto un livello critico.

Fattore 2: Trasporto rapido del gas tramite pompa ad alte prestazioni

La pompa interna del gas campione del GA210 eroga circa 4 l/min – una portata volumetrica relativamente elevata per un analizzatore di questa classe. Anche con la lunghezza massima della linea di 40 m utilizzando tubi in PTFE (diametro interno di 4 mm), il tempo di trasporto del gas dal punto di campionamento all’analizzatore è di pochi secondi. Insieme al tempo Tₐ₀ dell’analizzatore di circa 3 secondi, ciò si traduce in un tempo di risposta del sistema ben al di sotto dei 30 secondi, anche con la lunghezza massima della linea.

Fattore 3: Classificazione normativa – EN 60079-29-1

La norma EN 60079-29-1 definisce i requisiti prestazionali per i rilevatori di gas infiammabili. Il tempo Tₐ₀ richiesto per l’analizzatore è ≤ 30 secondi. A titolo di confronto: i sensori a pellistore installati direttamente nel locale – ovvero senza alcuna linea di campionamento – presentano tempi Tₐ₀ tipici compresi tra 10 e 30 secondi. Il sistema estrattivo GA210 raggiunge un tempo di risposta totale paragonabile o addirittura migliore anche con una linea di 40 m, offrendo al contempo i vantaggi decisivi della tecnologia NDIR: selettività, resistenza all’H₂S e stabilità a lungo termine.

Conclusione sul tempo di risposta: il concetto di sistema estrattivo non solo è sufficientemente veloce per il monitoraggio del LEL nei capannoni di trattamento dei fanghi, ma supera ampiamente i requisiti normativi. I pochi secondi di tempo di trasporto sono compensati da un reale guadagno in termini di sicurezza che non può essere ottenuto con un pellistore in situ in un’atmosfera contenente H₂S.

Protezione Ex senza analizzatore ATEX: il concetto di sistema estrattivo

Il GA210 è un analizzatore di precisione destinato a locali tecnici climatizzati (idealmente con temperatura ambiente compresa tra 15 e 25 °C). Non dispone della certificazione ATEX e viene quindi installato sistematicamente al di fuori della zona Ex. Il locale di stoccaggio dei fanghi rimane privo di dispositivi di misura: il campionamento avviene in modo estrattivo.

La nostra architettura di sistema:

- Sonda di campionamento nella sala dei fanghi con filtro grossolano.

- Frenafiamma in linea certificato ATEX (EN ISO 16852) nel punto di transizione dalla zona Ex all’area sicura. Impedisce in modo affidabile il ritorno di fiamma o l’accensione.

- Linea di gas campione in PTFE con lunghezze fino a 40 m. Per i gas campione umidi, raccomandiamo inoltre un sistema di riscaldamento autolimitante della linea di gas campione, che mantiene il gas al di sopra del punto di rugiada e impedisce in modo affidabile la formazione di condensa.

- Filtro universale per gas campione (membrana in PTFE da 5 µm) immediatamente a monte dell’analizzatore per proteggere da polveri residue e aerosol.

- Locale tecnico climatizzato a 15–25 °C, dove il GA210 può funzionare in modo stabile.

Questo concetto separa nettamente la tecnologia di misura dall’area pericolosa – un presupposto fondamentale per gli impianti gestiti secondo il § 6 del GefStoffV e i §§ 15/16 del BetrSichV.

Il condizionamento del gas campione come chiave per la stabilità a lungo termine

In un’atmosfera umida e polverosa, non è solo l’analizzatore, ma il condizionamento del gas campione a determinare la disponibilità dell’intero sistema.

Gestione della condensa

Se l’umidità si condensa nella linea, si formano goccioline che causano pulsazioni e fluttuazioni nei valori misurati. Il riscaldamento di tracciamento opzionale della linea in PTFE mantiene il gas costantemente al di sopra del punto di rugiada. Se necessario, è possibile utilizzare anche un raffreddatore del gas campione con separatore di condensa.

Ritenzione delle particelle

La polvere proveniente dalla sala dei fanghi non deve mai penetrare nella cella di misura NDIR. Si raccomanda un approccio in due fasi: un filtro della sonda (circa 100 µm) nel punto di campionamento e il filtro universale del gas campione (5 µm) direttamente a monte dell’analizzatore. Intervalli di manutenzione: ispezione trimestrale, sostituzione semestrale dei filtri.

Regolazione della pressione

La pressione del gas campione applicata deve rientrare nell’intervallo di compensazione dell’analizzatore (0,7–1,1 bar abs.). Per pressioni del gas campione al di fuori di questo intervallo, la pressione in ingresso può essere stabilizzata tramite resistenze al flusso, linee di bypass o regolazione attiva della pressione.

Ridondanza: due dispositivi per un monitoraggio continuo della sicurezza

Una misurazione relativa alla sicurezza sul lavoro nell’intervallo LEL non deve presentare alcuna lacuna di monitoraggio, nemmeno durante la regolazione automatica quotidiana del punto zero. Per le applicazioni rilevanti ai fini della sicurezza, raccomandiamo pertanto una configurazione ridondante con due analizzatori. Mentre un dispositivo viene sottoposto alla regolazione (circa 2 minuti), il secondo subentra nella misurazione senza interruzioni. Questo concetto aumenta significativamente la disponibilità e consente inoltre di effettuare controlli di plausibilità dei valori misurati durante il funzionamento.

Le uscite analogiche da 4–20 mA di entrambi i dispositivi possono essere collegate al PLC di sicurezza di livello superiore, comprese le soglie di preallarme e di allarme principale – tipicamente al 20% LEL (0,88% vol. CH₄) e al 40% LEL (1,76% vol. di CH₄). In caso di superamento, vengono attivate automaticamente misure di ventilazione oppure i processi vengono arrestati.

Norme e regolamenti: implementazione conforme alla legge

La progettazione e il funzionamento dei sistemi di monitoraggio del metano nei capannoni di trattamento dei fanghi e in aree analoghe dell’industria chimica sono soggetti a severi requisiti di legge:

- TRGS 720: Atmosfere esplosive pericolose – Aspetti generali.

- TRBS 2152 Parte 1 / TRGS 721: Atmosfere esplosive pericolose – Valutazione del rischio di esplosione.

- BetrSichV §§ 15/16: Collaudo degli impianti soggetti a monitoraggio prima della messa in servizio e a intervalli regolari.

- GefStoffV § 6: Raccolta di informazioni e valutazione dei rischi per le attività che coinvolgono sostanze pericolose.

- EN 60079-29-1: Rilevatori di gas – Requisiti prestazionali dei rilevatori per gas infiammabili.

- EN ISO 16852: Dispositivi di sicurezza contro le fiamme – Requisiti prestazionali, metodi di prova e limiti d’uso.

- Direttiva ATEX 2014/34/UE: Apparecchiature e sistemi di protezione destinati all’uso in atmosfere potenzialmente esplosive.

Fresenius Umwelttechnik vi supporta nella valutazione dei rischi e nella redazione del documento sulla protezione contro le esplosioni in conformità con GefStoffV/BetrSichV. Non esitate a contattarci!

La sicurezza è una questione di sistema – non solo una questione di sensori

Un monitoraggio affidabile del CH₄ in un impianto di trattamento dei fanghi ha successo solo se il principio di misura, il campionamento, il condizionamento del gas campione e l’integrazione nell’impianto vengono considerati come un’unica entità. La tecnologia NDIR con selezione mirata della lunghezza d’onda a 3,3 µm garantisce una misurazione selettiva e immune da avvelenamento del metano, che i sistemi a pellistore non sono in grado di fornire in atmosfere contenenti H₂S. La combinazione di un dispositivo antincendio in linea, una linea di campionamento lunga fino a 40 m e un locale tecnico climatizzato consente un funzionamento sicuro dell’analizzatore al di fuori della zona Ex. Il concetto di campionamento estrattivo non è più lento dei sistemi a pellistore in situ, pur offrendo un’affidabilità di misurazione significativamente superiore. Inoltre, un concetto ridondante a due dispositivi garantisce che il monitoraggio non venga mai interrotto, nemmeno durante la regolazione quotidiana del punto zero.

Noi di Fresenius Umwelttechnik affianchiamo i nostri clienti dalla valutazione dei rischi e dalla progettazione del campionamento fino alla messa in servizio e all’assistenza a lungo termine. Se state pianificando un monitoraggio LEL resiliente per il vostro impianto di trattamento dei fanghi o un’applicazione simile nell’industria chimica, contattateci: lavoreremo con voi per sviluppare un concetto che soddisfi sia i requisiti normativi sia la realtà del vostro impianto.

Domande frequenti (FAQ)

Perché la tecnologia NDIR è migliore del pellistore per il metano nei capannoni di trattamento dei fanghi?

I sensori NDIR sono selettivi per il metano a una lunghezza d’onda di 3,3 µm e non sono influenzati dall’H₂S, dai silossani o dalla carenza di ossigeno. I pellistor possono essere avvelenati dall’H₂S, richiedono ossigeno e non sono specifici nei confronti dei gas combustibili.

Quali sono le soglie di allarme comunemente utilizzate per il monitoraggio del LEL?

Preallarme al 20% del LEL (0,88% vol. di CH₄) e allarme principale al 40% del LEL (1,76% vol. di CH₄). Se superati, vengono attivate misure di ventilazione o i processi vengono arrestati.

L’analizzatore di gas deve essere certificato ATEX?

Non con il campionamento estrattivo. L’analizzatore viene installato al di fuori della zona Ex. È fondamentale l’utilizzo di un dispositivo antincendio in linea certificato ATEX (EN ISO 16852) nel punto di transizione tra le zone.

Con quale frequenza deve essere calibrato il GA210?

Il GA210 esegue automaticamente una regolazione del punto zero con aria ambiente una volta al giorno – durata circa 2 minuti, in modo completamente automatico o attivabile esternamente tramite PLC. Inoltre, raccomandiamo un controllo periodico con gas di calibrazione – l’intervallo dipende dai requisiti di sicurezza operativa.

Il sistema di campionamento estrattivo è sufficientemente veloce per il monitoraggio del LEL?

Sì. Il tempo di risposta (Tₐ₀) dell’analizzatore è di circa 3 secondi. Anche con una linea di campionamento di 40 m e la potente pompa interna (4 l/min), il tempo di risposta del sistema rimane ben al di sotto dei 30 secondi – soddisfacendo così ampiamente i requisiti della norma EN 60079-29-1. A titolo di confronto: i sensori a pellistore in situ presentano tempi Tₐ₀ tipici compresi tra 10 e 30 secondi, ma non offrono né selettività né resistenza all’H₂S.

Quale condizionamento del gas campione è necessario?

Indispensabili: linea del gas campione in PTFE (fino a 40 m), filtraggio a due stadi (filtro della sonda + filtro del gas campione) e dispositivo antincendio ATEX. In caso di elevata umidità, si consiglia il riscaldamento della linea del gas campione. Opzionalmente, è possibile utilizzare un raffreddatore del gas campione con separatore di condensa.

Con quale rapidità reagisce il sistema a un aumento del metano?

In un capannone per fanghi di grandi dimensioni, la concentrazione di CH₄ aumenta nell’arco di minuti, non di secondi, anche in caso di un improvviso evento di degassamento. Il tempo di risposta del sistema di campionamento per estrazione GA210 è compreso tra pochi secondi e un massimo di circa 20 secondi (con una linea di 40 m); pertanto, il sistema rileva un aumento della concentrazione molto prima che venga raggiunto un livello critico.

Leggi l’articolo originale su freseniusinstruments.com: https://freseniusinstruments.com/blog/22403/methane-monitoring-in-sludge-halls-ndir-measurement-for-reliable-lel/?lang=en