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Control del metano en naves de lodos: medición por NDIR para obtener un LEL fiable

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Riesgo de explosión en la sala de lodos: cuando los sensores se «quedan ciegos». El sulfuro de hidrógeno y la humedad suelen convertir la monitorización convencional del metano en un riesgo para la seguridad.

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Las naves de lodos de las industrias química y de aguas residuales encierran un peligro que a menudo se subestima: los lodos de depuradora emiten metano (CH₄) de forma continua. En condiciones de ventilación desfavorables, la concentración de CH₄ puede alcanzar localmente niveles críticos para la seguridad. Dado que el límite inferior de explosividad (LIE) del metano es tan bajo como el 4,4 % en volumen, resulta indispensable una monitorización fiable y continua del metano, como requisito fundamental de la GefStoffV, la BetrSichV y las normas técnicas pertinentes TRGS 720 y TRBS 2152, parte 1/TRGS 721 (Atmósferas explosivas peligrosas). En este artículo, mostramos cómo Fresenius Umwelttechnik implementa este control de CH₄, tan relevante para la seguridad, en una nave de lodos, y por qué la elección del principio de medición determina si se obtiene fiabilidad o una falsa alarma.

Situación inicial: la atmósfera de lodos de depuradora como reto de medición

En la sala de lodos de nuestro caso práctico coinciden varios factores desfavorables: alta humedad, polvo, temperaturas variables de hasta 50 °C en el gas de muestra y una matriz gaseosa compleja compuesta por CH₄, H₂S, CO₂ y O₂. La zona está clasificada como zona Ex de conformidad con la Directiva ATEX 2014/34/UE y la serie de normas EN 60079.

A primera vista, la tarea de medición parece sencilla: detectar metano en el rango de 0-10 % vol. para que las alarmas se activen de forma fiable por debajo del LEL. Sin embargo, en la práctica, la selectividad y la estabilidad a largo plazo determinan si un analizador proporciona valores fiables en funcionamiento continuo, o si se convierte en un riesgo debido a la sensibilidad cruzada y al envenenamiento del sensor.

¿Por qué NDIR en lugar de pelistor? Seguridad a través de la selectividad

Los sensores pelistores clásicos (perla catalítica) se utilizan ampliamente en los sistemas industriales de alerta de gases. Sin embargo, en la atmósfera de una nave de lodos, alcanzan sus límites físicos:

- Contaminación por H₂S: el sulfuro de hidrógeno provoca la desactivación del elemento catalítico y, por lo tanto, valores de medición sistemáticamente bajos, lo que supone un riesgo crítico para la seguridad en la monitorización del LEL.

- Exposición a la silicona y los siloxanos: las emisiones de lodos de depuradora suelen contener siloxanos, que dañan irreversiblemente el pelistor y acortan drásticamente su vida útil.

- Deficiencia de oxígeno: los pelistores necesitan O₂ para la combustión catalítica. Si el contenido de oxígeno desciende por debajo de aproximadamente el 10-15 % en volumen, la señal se reduce, aunque siga habiendo metano presente.

- Falta de especificidad: un pelistor detecta cualquier gas combustible; no puede distinguir el metano de otros hidrocarburos, lo que puede provocar falsas alarmas.

La espectroscopia infrarroja no dispersiva (NDIR) evita de forma intrínseca estas deficiencias. El metano absorbe la radiación infrarroja de forma característica a aproximadamente 3,3 µm, un rango de longitudes de onda en el que ni el H₂S ni el CO₂ presentan bandas de absorción dominantes. Mediante un enfoque de doble haz con un canal de referencia en una longitud de onda no absorbente, la señal de metano se corrige para eliminar la deriva y las influencias de la matriz. El resultado: una medición selectiva de CH₄, libre de envenenamiento, que se mantiene estable incluso en atmósferas que contienen H₂S y CO₂.

Nuestra solución: el GA210 con rango de medición LEL adaptado

Para esta aplicación, confiamos en el analizador de gases GA210 de Fresenius Umwelttechnik en la versión LEL con tecnología NDIR de doble haz. En lugar de un rango de medición estándar de hasta el 100 % vol., el analizador está optimizado para un rango de 0-10 % vol. de CH₄, precisamente el rango relevante para la seguridad en torno al LEL del 4,4 % vol. Gracias a la geometría optimizada de la célula de medición y a la evaluación adaptada de la curva característica, la resolución y la precisión están plenamente disponibles dentro de la ventana crítica.

Parámetros
Diseño

Componente medido
CH₄ (metano)

Rango de medición
0–10 % vol.

Principio de medición
NDIR de doble haz con detector de referencia

Resolución
0,1 % en volumen

Límite de detección
0,5 % en volumen

Incertidumbre de medición
≤ 3 % del valor medido

Tiempo de respuesta (Tₐ₀, analizador)
aprox. 3 s

Intervalo de medición
Cada segundo (continuo)

Compensación de presión
0,7–1,1 bar abs.

Célula de medición
Estabilizada a una temperatura de 45 °C

Sensibilidad cruzada
Ninguna respecto a H₂S y CO₂

Bomba de gas de muestra
Interna, aprox. 4 l/min

Salida analógica
4–20 mA (integración con PLC)

Ajuste del punto cero
1 vez al día, aprox. 2 min, automático con aire ambiente

Tiempo de respuesta: ¿Es lo suficientemente rápido un sistema extractivo para la monitorización del LEL?

En el caso de los sistemas de medición extractivos —es decir, aquellos en los que el gas de muestra se transporta al analizador a través de una línea de muestreo—, surge legítimamente la pregunta: ¿es el tiempo de respuesta total suficiente para una monitorización del LEL relevante para la seguridad? La respuesta se deriva de tres factores.

Factor 1: La dinámica del aumento de metano en el volumen de la nave

Las naves de lodos suelen tener un volumen de varios cientos a varios miles de metros cúbicos. Incluso en caso de un incidente repentino de desgasificación, la concentración de CH₄ en el volumen de la nave aumenta con relativa lentitud: la dilución en el gran volumen de la nave actúa como un amortiguador natural. En la práctica, un aumento desde el nivel ambiental hasta el umbral de prealarma de 0,88 % vol. (20 % del LEL) tarda minutos, no segundos. Por lo tanto, la cuestión decisiva no es si el analizador reacciona en 3 o en 30 segundos, sino si el sistema en su conjunto detecta de forma fiable el aumento de la concentración antes de que se alcance un nivel crítico.

Factor 2: Rápido transporte de gas mediante una bomba de alto rendimiento

La bomba interna de gas de muestra del GA210 suministra aprox. 4 l/min, un caudal relativamente elevado para un analizador de esta clase. Incluso con una longitud máxima de línea de 40 m utilizando tubos de PTFE (4 mm de diámetro interior), el tiempo de transporte puro del gas desde el punto de muestreo hasta el analizador es de solo unos segundos. Junto con el tiempo Tₐ₀ del analizador, de aproximadamente 3 segundos, esto da como resultado un tiempo de respuesta del sistema muy inferior a 30 segundos, incluso con la longitud máxima de la línea.

Factor 3: Clasificación normativa – EN 60079-29-1

La norma EN 60079-29-1 define los requisitos de rendimiento para los detectores de gases inflamables. El tiempo Tₐ₀ requerido para el analizador es ≤ 30 segundos. A modo de comparación: los sensores de pelistor instalados directamente en la nave —es decir, sin ninguna línea de muestreo— tienen tiempos Tₐ₀ típicos de entre 10 y 30 segundos. El sistema extractivo GA210 alcanza un tiempo de respuesta total comparable o incluso mejor, incluso con una línea de 40 m, al tiempo que ofrece las ventajas decisivas de la tecnología NDIR: selectividad, resistencia al H₂S y estabilidad a largo plazo.

Conclusión sobre el tiempo de respuesta: el concepto de sistema extractivo no solo es lo suficientemente rápido para la monitorización del LEL en naves de lodos, sino que supera holgadamente los requisitos normativos. Los pocos segundos de tiempo de transporte se ven compensados por una ganancia real en seguridad que no se puede lograr con un pelistor in situ en una atmósfera que contenga H₂S.

Protección Ex sin un analizador ATEX: el concepto de sistema extractivo

El GA210 es un analizador de precisión para salas técnicas climatizadas (idealmente con una temperatura ambiente de 15–25 °C). No cuenta con certificación ATEX para dispositivos y, por lo tanto, se instala siempre fuera de la zona Ex. La sala de lodos en sí misma permanece libre de dispositivos de medición: el muestreo se realiza de forma extractiva.

Nuestra arquitectura del sistema:

- Sonda de muestreo en la sala de lodos con un filtro de granulometría gruesa.

- Supresor de llama en línea con certificación ATEX (EN ISO 16852) en la transición de la zona Ex al área segura. Evita de forma fiable el retroceso de llama o la ignición.

- Tubería de gas de muestra de PTFE con longitudes de hasta 40 m. Para gases de muestra húmedos, recomendamos además un sistema de calefacción de traza autolimitante para el gas de muestra, que mantiene el gas por encima del punto de rocío y evita de forma fiable la condensación.

- Filtro universal de gas de muestra (membrana de PTFE de 5 µm) situado inmediatamente antes del analizador para protegerlo contra el polvo residual y los aerosoles.

- Sala técnica climatizada a una temperatura de entre 15 y 25 °C, donde el GA210 pueda funcionar de forma estable.

Este concepto separa claramente la tecnología de medición de la zona peligrosa, lo que constituye la base para las instalaciones que operan de acuerdo con el artículo 6 del GefStoffV y los artículos 15 y 16 del BetrSichV.

El acondicionamiento del gas de muestra como clave para la estabilidad a largo plazo

En una atmósfera húmeda y polvorienta, no es solo el analizador, sino el acondicionamiento del gas de muestra lo que determina la disponibilidad del sistema en su conjunto.

Gestión del condensado

Si la humedad se precipita en la línea, se forman gotitas que provocan pulsaciones y fluctuaciones en los valores medidos. La calefacción de traza opcional de la línea de PTFE mantiene el gas constantemente por encima del punto de rocío. Si es necesario, también se puede utilizar un enfriador de gas de muestra con un separador de condensado.

Retención de partículas

El polvo procedente de la sala de lodos no debe entrar nunca en la célula de medición NDIR. Recomendamos un enfoque en dos etapas: un filtro de sonda (aprox. 100 µm) en el punto de muestreo y el filtro universal de gas de muestra (5 µm) situado directamente aguas arriba del analizador. Intervalos de mantenimiento: inspección trimestral, sustitución semestral de los filtros.

Ajuste de la presión

La presión del gas de muestra aplicada debe estar dentro del rango de compensación del analizador (0,7–1,1 bar abs.). Para presiones de gas de muestra fuera de este rango, la presión de entrada puede estabilizarse mediante resistencias al flujo, líneas de derivación o regulación activa de la presión.

Redundancia: dos dispositivos para una supervisión de la seguridad sin interrupciones

Una medición de seguridad laboral en el rango LEL no debe permitir ningún vacío en la supervisión, ni siquiera durante el ajuste automático diario del punto cero. Por lo tanto, para aplicaciones relevantes para la seguridad, recomendamos un diseño redundante con dos analizadores. Mientras un dispositivo se somete a su ajuste (aprox. 2 minutos), el segundo se hace cargo de la medición sin interrupciones. Este concepto aumenta significativamente la disponibilidad y, además, permite realizar comprobaciones de plausibilidad de los valores medidos durante el funcionamiento.

Las salidas analógicas de 4–20 mA de ambos dispositivos pueden conectarse al PLC de seguridad de nivel superior, incluyendo los umbrales de prealarma y alarma principal —normalmente al 20 % del LEL (0,88 % vol. de CH₄) y al 40 % del LEL (1,76 % vol. de CH₄). Si se superan, se activan automáticamente medidas de ventilación o se detienen los procesos.

Normas y reglamentos: implementación conforme a la legislación

El diseño y el funcionamiento de los sistemas de monitorización de metano en naves de lodos y áreas comparables de la industria química están sujetos a estrictos requisitos legales:

- TRGS 720: Atmósferas explosivas peligrosas: aspectos generales.

- TRBS 2152, parte 1 / TRGS 721: Atmósferas explosivas peligrosas: evaluación del riesgo de explosión.

- BetrSichV, artículos 15 y 16: Pruebas de los sistemas que requieren monitorización antes de su puesta en servicio y de forma periódica.

- GefStoffV, artículo 6: Recopilación de información y evaluación de riesgos para actividades que impliquen sustancias peligrosas.

- EN 60079-29-1: Detectores de gas – Requisitos de rendimiento de los detectores de gases inflamables.

- EN ISO 16852: Supresores de llama – Requisitos de rendimiento, métodos de ensayo y límites de uso.

- Directiva ATEX 2014/34/UE: Equipos y sistemas de protección destinados a ser utilizados en atmósferas potencialmente explosivas.

Fresenius Umwelttechnik le ayuda en la evaluación de riesgos y en la elaboración del documento de protección contra explosiones de conformidad con la GefStoffV y la BetrSichV. ¡No dude en ponerse en contacto con nosotros!

La seguridad es una cuestión sistémica, no solo una cuestión de sensores

La monitorización fiable del CH₄ en una sala de lodos solo tiene éxito si el principio de medición, el muestreo, el acondicionamiento del gas de muestra y la integración en la planta se consideran como un todo. La tecnología NDIR, con una selección específica de la longitud de onda a 3,3 µm, proporciona una medición selectiva y libre de envenenamiento del metano que los sistemas de pelistor no pueden ofrecer en atmósferas que contienen H₂S. La combinación de un supresor de llama en línea, una línea de muestreo de hasta 40 m y una sala técnica climatizada permite un funcionamiento seguro del analizador fuera de la zona Ex. El concepto extractivo no es más lento que los sistemas de pelistores in situ, al tiempo que ofrece una fiabilidad de medición significativamente mayor. Además, un concepto redundante de dos dispositivos garantiza que la monitorización nunca se interrumpa, ni siquiera durante el ajuste diario del punto cero.

En Fresenius Umwelttechnik, acompañamos a nuestros clientes desde la evaluación de riesgos y el diseño del muestreo hasta la puesta en marcha y el servicio a largo plazo. Si está planificando un sistema de monitorización LEL resistente para su planta de tratamiento de lodos o una aplicación similar en la industria química, póngase en contacto con nosotros: trabajaremos con usted para desarrollar un concepto que cumpla tanto con los requisitos normativos como con la realidad de su planta.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Por qué es mejor la tecnología NDIR que el pelistor para detectar metano en las salas de lodos?

Los sensores NDIR son selectivos para el metano a una longitud de onda de 3,3 µm y no se ven afectados por el H₂S, los siloxanos ni la falta de oxígeno. Los pelistores pueden verse contaminados por el H₂S, requieren oxígeno y no son específicos para los gases combustibles.

¿Cuáles son los umbrales de alarma habituales para la monitorización del LEL?

Prelarme al 20 % del LEL (0,88 % vol. de CH₄) y alarma principal al 40 % del LEL (1,76 % vol. de CH₄). Si se superan estos valores, se activan medidas de ventilación o se detienen los procesos.

¿Tiene que estar certificado según ATEX el analizador de gases?

No, si se utiliza muestreo extractivo. El analizador se instala fuera de la zona Ex. Es fundamental disponer de un supresor de llama en línea con certificación ATEX (EN ISO 16852) en la transición entre zonas.

¿Con qué frecuencia hay que calibrar el GA210?

El GA210 realiza automáticamente un ajuste del punto cero con aire ambiente una vez al día; la duración es de aproximadamente 2 minutos, de forma totalmente automática o activable externamente mediante un PLC. Además, recomendamos una comprobación periódica con gas de calibración; el intervalo depende de los requisitos de seguridad operativa.

¿Es el sistema extractivo lo suficientemente rápido para la monitorización del LEL?

Sí. El tiempo Tₐ₀ del analizador es de aproximadamente 3 segundos. Incluso con una línea de muestreo de 40 m y la potente bomba interna (4 l/min), el tiempo de respuesta del sistema se mantiene muy por debajo de los 30 segundos, lo que cumple holgadamente los requisitos de la norma EN 60079-29-1. A modo de comparación: los sensores de pellistor in situ tienen tiempos Tₐ₀ típicos de entre 10 y 30 segundos, pero no ofrecen selectividad ni resistencia al H₂S.

¿Qué acondicionamiento del gas de muestreo es necesario?

Imprescindible: línea de gas de muestra de PTFE (hasta 40 m), filtrado en dos etapas (filtro de sonda + filtro de gas de muestra) y supresor de llama ATEX. En caso de alta humedad, recomendamos el calentamiento de la línea de gas de muestra. Opcionalmente, se puede utilizar un enfriador de gas de muestra con separador de condensado.

¿Con qué rapidez reacciona el sistema ante un aumento de metano?

En una nave de lodos de gran volumen, la concentración de CH₄ aumenta en cuestión de minutos, no de segundos, incluso durante un episodio repentino de desgasificación. El tiempo de respuesta del sistema de extracción GA210 oscila entre unos pocos segundos y un máximo de aproximadamente 20 segundos (con una línea de 40 m); por lo tanto, el sistema detecta un aumento de la concentración mucho antes de que se alcance un nivel crítico.

Lee el artículo original en freseniusinstruments.com: https://freseniusinstruments.com/blog/22403/methane-monitoring-in-sludge-halls-ndir-measurement-for-reliable-lel/?lang=en