مقدمة وتطوير تطبيقات محلل غازات الاحتراق عالي الحرارة والرطوبة عبر الإنترنت

مقدمة وتطوير تطبيقات محلل غازات المداخن عالي الحرارة والرطوبة عبر الإنترنت

مقدمة

يهدف قياس رطوبة غازات الاحتراق في غازات العادم المنبعثة من مصادر التلوث الثابتة بشكل أساسي إلى الحصول على محتوى الأكسجين الجاف، ومن ثم حساب المحتوى الفعلي لغازات الاحتراق وانبعاثات التلوث الغازي. ونظرًا لارتفاع درجة حرارة غازات الاحتراق الرطبة، وكثرة الغبار فيها، والاختلاف الكبير في مكوناتها بين الغلايات والأفران الصناعية المستخدمة في القطاعات الصناعية المختلفة، مثل محطات توليد الطاقة الحرارية، ومصانع البتروكيماويات، ومحارق النفايات، ومصانع الصلب، وغيرها، فإن قياس الرطوبة يُعدّ تحديًا عالميًا، مما يجعل الكشف الفوري عن رطوبة غازات الاحتراق أمرًا بالغ الصعوبة. في السنوات القليلة الماضية، كان قياس درجة الحرارة والرطوبة العالية في غازات المداخن المنزلية يتم في الغالب يدويًا، أي وفقًا لمتطلبات المعيار الصيني GB/T 16157-1996 "طريقة تحديد الجسيمات العالقة وأخذ عينات من الملوثات الغازية في عادم مصدر التلوث الثابت"، حيث تم اختيار طرق الوزن والتكثيف والكرة الجافة والرطبة، وتم إدخال القيمة المتوسطة في نظام مراقبة الانبعاثات المستمرة (CEMS). مع تطور التكنولوجيا وازدياد الاهتمام بحماية البيئة على المستوى الوطني، توجد حاليًا أربع طرق قياس مباشرة لدرجة الحرارة والرطوبة العالية في غازات المداخن في الصين: 1. طريقة المقاومة والسعة 2. طريقة مبدأ أكسيد الزركونيوم من نوع التيار المحدود 3. طريقة الحقن بالصدم (الكرة الجافة والرطبة) 4. طريقة امتصاص طيف الأشعة تحت الحمراء.

1. طريقة المقاومة والسعة

تعتمد طريقة المقاومة والسعة المستخدمة في قياس غازات المداخن في الصين على طريقة السعة. وتستخدم في هذه الطريقة في الغالب مادة البوليميد الحساسة للرطوبة. تتميز المكثفات البوليمرية الحساسة للرطوبة المصنوعة من هذه المادة بأداء كهربائي جيد، كما أن ثابت العزل الكهربائي وفقد العزل الكهربائي فيها منخفضان للغاية. يبلغ ثابت العزل الكهربائي للبوليميد من 2 إلى 3 في حالة الجفاف التام، بينما يبلغ ثابت العزل الكهربائي لجزيء الماء حوالي 80 عند 20 درجة مئوية. أما ثابت العزل الكهربائي بعد امتصاص جزيء الماء فهو:

εu=εr+aWuεh (1)

Wu=b(p/p0) εr+ aWuεh （2）

εu هي الرطوبة النسبية عند u%RH، وثابت العزل الكهربائي للمركب، وεr هي الرطوبة عند 0%RH، وثابت العزل الكهربائي لغشاء البوليميد، وa وb هما ثابتا التركيب، وεh هو ثابت العزل الكهربائي للماء الممتص في غشاء البوليميد، وWu هي الرطوبة عند u%RH، وكتلة الماء الممتصة لكل وحدة كتلة من البوليمر، وp/p0 هو الضغط النسبي لبخار الماء عند التوازن. عندما تمتص المكثفة الحساسة للرطوبة جزيئات الماء الغازية من البيئة، يتغير ثابت العزل الكهربائي للمادة، مما يؤدي إلى تغير قيمة السعة؛ ويتم حساب قيمة الرطوبة البيئية المقابلة بقياس قيمة السعة المتغيرة. في الوقت الحالي، يعتمد مستشعر السعة الكهربائية - المكثف البوليمري الحساس للرطوبة المستخدم في قياس درجات الحرارة والرطوبة العالية في غازات المداخن - على بنية مكثف مسطح، يتكون أساسًا من ركيزة زجاجية، وقطب كهربائي سفلي، وغشاء بوليمري حساس للرطوبة، وقطب كهربائي علوي، وما إلى ذلك. ويمكن التعبير عن العلاقة بين السعة الكهربائية والرطوبة النسبية وفقًا لمعادلة المكثف المسطح كما يلي:

الشكل 1: مخطط هيكلي لمكثف بوليمري حساس للرطوبة

قيمة السعة الكهربائية للمكثف الحساس للرطوبة Ch، وε0 ثابت العزل الكهربائي للفراغ، وS مساحة قطب المكثف الحساس للرطوبة، وD المسافة بين قطبي المكثف الحساس للرطوبة، بالإضافة إلى سمك الغشاء الحساس للرطوبة. من المعادلات (1) و(2) و(3)، يتضح أن العلاقة بين قدرة امتصاص جزيئات الماء للمكثف الحساس للرطوبة والضغط النسبي لبخار الماء عند الاتزان يجب أن تتوافق مع منحنى هيري للامتصاص، أي أن العلاقة بين سعة المكثف والرطوبة النسبية خطية.

باختصار، نلاحظ أن قياس الرطوبة عند درجات الحرارة العالية يعكس الرطوبة النسبية في غازات الاحتراق باستخدام طريقة قياس المقاومة الحجمية، وذلك وفقًا لتعريف الرطوبة النسبية: تُعرَّف الرطوبة النسبية بأنها نسبة ضغط الماء إلى ضغط بخار الماء المشبع عند درجة حرارة وضغط معينين. وبناءً على هذا التعريف، ترتبط الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة ارتباطًا وثيقًا، وفي التطبيقات العملية، نحتاج إلى قيمة الرطوبة في غازات الاحتراق كنسبة حجمية، مما يُسهِّل حساب محتوى الأكسجين الجاف فيها. لذا، لحساب النسبة الحجمية لبخار الماء في غازات الاحتراق، من الضروري قياس درجة الحرارة المحيطة بمستشعر الرطوبة.

وفقًا للاستخدام الفعلي لمقياس رطوبة غازات المداخن بتقنية المقاومة والسعة، تتميز هذه التقنية بسرعة الاستجابة، وصغر الحجم، ومقاومتها للتلف عند تكثف الماء. إلا أن عيبها يكمن في عدم إمكانية تجاوز درجة حرارة غازات المداخن 170 درجة مئوية، فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت احتمالية تذبذب البيانات، كما يصعب قياس الرطوبة عند نسبة حجمية أقل من 6%. ويعود السبب في ذلك إلى أن الرطوبة تتراوح بين 0 و40% (نسبة حجمية) من غازات المداخن (عند درجة حرارة أعلى من 30 درجة مئوية)، ومع ارتفاع درجة الحرارة (أكثر من 100 درجة مئوية) وضغط الماء المشبع، كلما زادت الرطوبة النسبية، قلّ التغير المقابل في السعة. لكن نطاق أو دقة قياس تغير السعة محدود. ثالثًا، غالبًا ما تحتوي غازات المداخن الناتجة عن حرق النفايات، وغازات المداخن المعدنية، وغيرها، على نسبة تآكل، مما يجعل القطب الكهربائي عرضة للتلف وعمره قصير جدًا.

2. الطريقة الأساسية للحد من تيار الزركونيا

يعمل الزركونيا ذو التيار المحدود باستخدام مبدأ مضخة الأكسجين الزركونية

أي، أولاً، يتم تسخين الإلكتروليت الصلب من الزركونيا إلى درجة حرارة عالية (أكثر من 350 درجة مئوية)، وفي الوقت نفسه، يُطبق جهد التشغيل على أقطاب البلاتين على جانبي الإلكتروليت الصلب من الزركونيا. يتم تحفيز جزيء الأكسجين على جانب الكاثود إلى أيونات أكسجين، ويدفعها الجهد المطبق إلى الأنود. لا يزداد تيار خرج المستشعر مع زيادة الجهد المطبق عندما يكون تركيز الأكسجين في الجو ثابتًا، بل يصل إلى قيمة ثابتة، تُسمى قيمة تيار الحد عند تركيز الأكسجين، وتُعرف عمومًا بمنصة تيار الحد الأولى I1. وفقًا لهذا المبدأ، بوضع مستشعر تيار الحد في بيئة تحتوي على بخار ماء وزيادة الجهد المطبق، يمكن قياس قيمة تيار حد كبيرة، تُعرف عادةً بمرحلة تيار الحد الثانية I2، على الرغم من أن قيمة هذا التيار تحتوي على جزيئات أكسجين وجزيئات ماء متأينة. تتناسب قيمتا تيار الحد طرديًا مع محتوى الأكسجين في البيئة ومحتوى الأكسجين في بخار الماء، على التوالي. آلية التفاعل الدقيق للزركونيا على الكاثود والأنود هي كما يلي:

جانب الكاثود O2+4e-→2O2- (1)

H2O+2e-→H2+O2- (2)

جانب الأنود O2-→1/2O2+2e- (3)

الشكل 2: بنية مستشعر أكسيد الزركونيوم من نوع التيار المحدود

وفقًا لقاعدة فيكس الخاصة بحدود فتحة انتشار الغاز للمستشعر، وبافتراض أن معاملات انتشار الأكسجين وبخار الماء متساوية، يمكن التعبير عن قيمتي التيار الحدي على النحو التالي:

في الصيغة: F هو ثابت فاراداي

D هو معامل انتشار غاز الخلط

S هي مساحة ثقب تحديد التيار في أكسيد الزركونيوم (ثقب الانتشار).

P هو الضغط الكلي لخليط الغاز

R هو ثابت الغاز

T هي درجة حرارة تشغيل الزركونيا (كلفن)

L هو طول فتحة انتشار الغاز

يمكن حساب محتوى الأكسجين في غازات الاحتراق بناءً على تيار الحد الأول، بينما يمكن حساب الرطوبة بناءً على الفرق بين تيار الحد الثاني وتيار الحد الأول. لذلك، يتميز استخدام جهاز قياس الرطوبة ذي مبدأ تيار الحد المصنوع من أكسيد الزركونيوم بميزة واضحة مقارنةً بأجهزة قياس الرطوبة الأخرى، إذ أنه يقيس الأكسجين بشكل أساسي، وبالتالي لا يحتاج المستخدم إلى تركيب محلل لقياس الأكسجين، حيث يوفر جهاز قياس الرطوبة بيانات القياس في آنٍ واحد.

من خلال الاستخدام الفعلي لمقياس الرطوبة الذي يعتمد على مبدأ أكسيد الزركونيوم ذي التيار المحدود، تبرز مزاياه من حيث صغر الحجم، ودقة القياس العالية، وإمكانية استخدامه مع درجات حرارة غازات الاحتراق من درجة الحرارة العادية إلى 500 درجة مئوية، فضلاً عن كونه فعالاً من حيث التكلفة. أما عيوبه فتتمثل في عدم إمكانية تشغيله في الماء السائل، واحتمالية تعرضه للتسمم في جو غازات الاحتراق المحتوي على نسبة عالية من ثاني أكسيد السيليكون أو المعادن الثقيلة كالزرنيخ والرصاص.

في الواقع، عند الحديث عن القطب المحفز لأكسيد الزركونيوم، يُشار عادةً إلى قطب البلاتين في عمليات إزالة الكبريت نظرًا لارتفاع نسبة الكبريت في الفحم في الصين. ومع ذلك، غالبًا ما يتطلب الأمر مراقبة غازات المداخن من الأمام والخلف في برج إزالة الكبريت، ولكن إذا عمل قطب البلاتين المصنوع من الزركونيا في بيئة غازات مداخن غنية بثاني أكسيد الكبريت لفترة طويلة، فسيتأثر عمره الافتراضي بشكل كبير. لذلك، في التطبيقات العملية، مثل مدخل إزالة الكبريت، واستخلاص الكبريت من الغاز الطبيعي، وحرق النفايات، وما إلى ذلك، يكون قطب أكسيد الزركونيوم الذي يستخدم قطب البلاتين عرضةً للتآكل. في السنوات الأخيرة، ولحل مشكلة تأثير البيئة المسببة للتآكل على عمر الزركونيا من نوع التيار المحدود، قدمت شركة Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. ابتكارًا جريئًا في مستشعر الزركونيا المستخدم في جهاز إرسال الرطوبة PC18. تم تغيير القطب التحفيزي من الزركونيا إلى قطب سيراميكي، مما أدى إلى حل مشكلة تطبيق الزركونيا من النوع ذي التيار المحدود في ظل ظروف حرق النفايات الطبية، وصناعة البتروكيماويات، والمركبات العضوية المتطايرة، وما إلى ذلك، في خطوة واحدة.

جهاز إرسال الرطوبة PC18

3. طريقة النفث الصدمي (الكرة الجافة والرطبة)

المبدأ الأساسي لقياس الرطوبة بطريقة الكرة الجافة والرطبة: يُستخدم مستشعر حرارة لقياس درجة حرارة غازات الاحتراق، وتُعتبر هذه الدرجة هي درجة حرارة الكرة الجافة. يُستخدم حوض قياس يُملأ بكمية محددة من الماء، ثم يُوضع مستشعر الحرارة داخل الحوض، ويجب أن يكون تحت سطح الماء. بعد ذلك، تصطدم غازات الاحتراق باستمرار بسطح الماء فوق مستشعر الحرارة مباشرةً، وتُعتبر درجة الحرارة المقاسة هي درجة حرارة الكرة الرطبة. وبناءً على مبدأ انتقال الحرارة ونظرية الديناميكا الحرارية، يمكن اشتقاق الصيغة الرياضية التالية:

في الصيغة:

نسبة الرطوبة النسبية %

ضغط الماء المشبع عند درجة حرارة الكرة الرطبة

ضغط الماء المشبع عند درجة حرارة الكرة الجافة

الضغط الجوي

الفرق بين درجة حرارة الكرة الجافة والرطبة

ثابت، مرتبط بسرعة الرياح

وفقًا للمعادلة الرياضية المذكورة أعلاه، يتضح لنا أن طريقة حقن الصدمة لقياس الرطوبة في غازات الاحتراق تتم عن طريق القياس غير المباشر لدرجة حرارة هذه الغازات. وتُعد تقنية قياس درجة الحرارة ناضجة وموثوقة نسبيًا، حتى في ظروف التشغيل السيئة، حيث يكون تغير قراءة مستشعر درجة الحرارة سريعًا جدًا.

وفقًا للتطبيق العملي في محطات استخلاص الكبريت من الغاز الطبيعي، ومصانع تجهيز الأغذية، ومصانع النسيج، ومحطات حرق النفايات، وغيرها، يتميز جهاز قياس الرطوبة عالي الحرارة بتقنية الرش بالصدم (الكرة الجافة الرطبة) بعمر خدمة طويل (يُستخدم حاليًا منذ خمس سنوات متتالية ولا يزال يعمل بكفاءة)، كما أن بياناته المقاسة دقيقة وموثوقة، ويتمتع بقدرة عالية على التكيف مع البيئات القاسية، ونطاق واسع لدرجات الحرارة، وصيانة قليلة. أما عيوبه فتتمثل في ارتفاع سعره، وكبر حجمه، وحاجته إلى إضافة الماء بانتظام.

على الرغم من أن طريقة الحقن بالصدمة هي مبدأ عمل الكرة الجافة والرطبة، إلا أنها ليست شائعة الاستخدام في أقسام الأرصاد الجوية لقياس الرطوبة النسبية لأجهزة قياس رطوبة الهواء، مثل جهاز CI-PC39 من شركة Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd.، وهو تصميم جديد تمامًا أو حتى مبتكر، لتحقيق تأثير القياس المذكور أعلاه.

محلل الرطوبة CI-PC39

4. طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء

يعتمد امتصاص الأشعة تحت الحمراء واسع النطاق على مبدأ أن امتصاص جزيئات بخار الماء الانتقائي لأطوال موجية محددة من الأشعة تحت الحمراء يتغير بتغير تركيزها. مع ذلك، ومنذ عام 1912، عندما اقترح فاول لأول مرة قياس الرطوبة بالأشعة تحت الحمراء، كان قياس الرطوبة بطيئًا نظرًا لمحدودية تقنية امتصاص الأشعة تحت الحمراء التقليدية التي تعتمد على نطاق واسع من الامتصاص. ومع التطور السريع لتقنية مطيافية ليزر أشباه الموصلات (DLAS) في التسعينيات، تم تطوير محلل فوري لدرجة الحرارة والرطوبة لغازات المداخن. بالمقارنة مع مطيافية امتصاص الأشعة تحت الحمراء التقليدية، تنتمي تقنية DLAS إلى تقنية الامتصاص ضيق النطاق، لأن عرض الطيف (أقل من 0.0001 نانومتر) لمصدر ليزر أشباه الموصلات أصغر بكثير من اتساع خط امتصاص الغاز. لكل جزيء غاز طيف امتصاص خاص به، وعندما يتطابق طيف انبعاث مصدر الضوء مع طيف امتصاص جزيء الغاز، ترتبط شدة الامتصاص بالكسر الحجمي للغاز. بالنظر إلى قاعدة البيانات ذات الصلة، نجد أن امتصاص غاز الماء قوي جدًا بالقرب من خط الامتصاص ذي الطول الموجي 1390 نانومتر، ولا يوجد امتصاص تداخلي واضح من الغازات الأخرى. عند مرور ليزر شبه موصل ذي شدة I₀ عبر الغاز المراد قياسه، إذا غطى طيف مصدر الضوء طيف امتصاص جزيء الغاز، فإن الضوء سيتلاشى عند مروره عبر الغاز. وفقًا لقانون لامبرت-بير، فإن العلاقة بين شدة الضوء الخارج I₀ وشدة الضوء الساقط I₀ وتركيز حجم الغاز هي:

في الصيغة (1)، يُمثل I و I0 شدة الضوء الخارج والضوء الساقط على التوالي؛ وα(λ) هو معامل امتصاص الوسط عند طول موجي معين وتركيز وحدة واحدة. وC هو تركيز الغاز المراد قياسه، وL هو المسار البصري.

للحصول على حساسية أعلى وتقليل ضوضاء 1/f لليزر، تتطلب تقنية DLAS عادةً تقنية كشف طيف التضمين. تُقلل هذه التقنية بشكل ملحوظ من تأثير ضوضاء الليزر على القياس من خلال التضمين عالي التردد. في الوقت نفسه، يمكن الحصول على مرشح تمرير نطاق ضيق عن طريق ضبط ثابت زمني أكبر للكاشف الحساس للطور المستخدم في تقنية الكشف الحساس للطور (كشف المكونات التوافقية)، مما يؤدي إلى ضغط عرض نطاق الضوضاء بشكل فعال.

عند استخدام محلل رطوبة غازات الاحتراق عالي الحرارة الذي طورته شركة DLAS لقياس غازات الاحتراق، يُصنف هذا الاختراع ضمن القياس غير التلامسي، ما يجعله بمنأى عن تسمم المستشعر أو تداخل الغازات المحيطة. يتميز هذا الاختراع بسرعة الاستجابة، ودقة عالية في بيانات القياس، وفترة معايرة طويلة، وقلة الصيانة. أما عيبه فهو ارتفاع سعره.

5. اتجاهات التنمية

كما نعلم جميعًا، فإن المكونات الأساسية لأجهزة التحليل الإلكتروني هي أجهزة الاستشعار. ونظرًا لتأخرنا في هذا المجال، فإن الصناعة الأساسية في بلدنا ضعيفة. ورغم أن مصنعي أجهزة التحليل المحليين قد أحرزوا تقدمًا كبيرًا في إتقان التكنولوجيا الأساسية بعد سنوات من التطوير، إلا أن الفجوة لا تزال واضحة جدًا مقارنةً بالدول الأجنبية. يلجأ معظم مصنعي أجهزة التحليل المحليين إلى شراء أجهزة استشعار أجنبية ثم تصميم أجهزة جديدة لدخول السوق بهدف المنافسة السعرية المتجانسة، مما يُثير القلق، إذ أن سوق أجهزة التحليل منخفضة التكلفة (بينما تحتكر الدول الأجنبية تقريبًا سوق الأجهزة عالية الجودة)، سيؤثر سلبًا على المدى الطويل على نمو صناعة أجهزة التحليل المحلية أو يُؤخره.

في الوقت الحالي، ونظرًا لارتفاع الأسعار، تعتمد أجهزة قياس الرطوبة والحرارة عالية الحرارة المتوفرة في السوق بشكل أساسي على طريقة قياس المقاومة والسعة، بالإضافة إلى مستشعر الزركونيا ذي التيار المحدود. أما أجهزة قياس الرطوبة والحرارة عالية الحرارة التي تعتمد على مبدأ طريقة النفث الصدمي (الكرة الجافة والرطبة) وطريقة امتصاص طيف الأشعة تحت الحمراء، فلها حصة سوقية ضئيلة للغاية. وقد طورت شركة شنغهاي تشانغ آي للتكنولوجيا الإلكترونية، من خلال جهود دؤوبة وطويلة الأمد، جهاز قياس الرطوبة والحرارة عالي الحرارة لغازات المداخن المذكور أعلاه، والذي يعتمد على مستشعر أكسيد الزركونيوم ذي التيار المحدود وطريقة الحقن الصدمي للمكونات الأساسية - حوض القياس. كما تستطيع بعض معاهد البحث العلمي المحلية، مثل معهد الصين للعلوم الكهربائية، تصنيع مستشعرات أجهزة قياس الرطوبة والحرارة عالية الحرارة باستخدام طريقة قياس المقاومة والسعة، إلا أن أداءها غير مستقر، وهي بعيدة عن التطبيق الصناعي، ولذلك فإن السوق حاليًا يعتمد بشكل أساسي على التصميمات الخارجية. أما ثنائي الليزر شبه الموصل، وهو المكون الأساسي لأجهزة قياس الرطوبة والحرارة عالية الحرارة لغازات المداخن التي تعتمد على طريقة امتصاص طيف الأشعة تحت الحمراء، فلا يستطيع المصنعون المحليون تصنيعه. وتقتصر هذه التقنية على ألمانيا والولايات المتحدة وهولندا وعدد قليل من الدول الأخرى. إن نقص أو قصور التكنولوجيا الأساسية يقيد تطوير وتقدم أجهزة قياس درجة الحرارة والرطوبة العالية لغازات المداخن المتصلة بالإنترنت.

في المستقبل، سيواجه تطوير أجهزة قياس الرطوبة عالية الحرارة لغازات المداخن قيودًا متعددة. وستبقى أجهزة قياس الرطوبة التي تعمل وفقًا للمبادئ الأربعة المذكورة أعلاه موجودة. ومن المتوقع أن تُحسّن أجهزة قياس الرطوبة التي تعتمد على طريقة المقاومة الكهربائية وطريقة أكسيد الزركونيوم ذات التيار المحدود من موثوقيتها وعمرها الافتراضي. كما ستشهد أجهزة قياس الرطوبة التي تعتمد على طريقة الحقن بالصدمة انخفاضًا في الحجم والتكلفة، ما يزيد من حصتها السوقية. ويُعدّ مقياس الرطوبة بالأشعة تحت الحمراء الأكثر واعدة، ويمثل أيضًا اتجاهًا واعدًا لتطوير أجهزة تحليل الغازات. ولكن إذا لم يتمكن المصنّعون المحليون من تطوير وإنتاج ثنائيات الليزر شبه الموصلة، فسيعيق ذلك خفض التكلفة ويؤثر سلبًا على الترويج في السوق. وحتى لو خفّض الموردون الأجانب الأسعار، فلن يكون أمام الشركات المحلية سوى العمل لصالح الشركات الأجنبية، وبالتالي خوض منافسة سعرية منخفضة في الصين، ودخول حرب أسعار. نأمل أن تتمكن الرابطة الصناعية المحلية للأجهزة التحليلية عبر الإنترنت أو الإدارات الحكومية ذات الصلة من تعزيز التعاون بين الجامعات ومعاهد البحث العلمي والشركات، وتكملة مزايا بعضها البعض، وكسر احتكار الشركات المصنعة الأجنبية في وقت مبكر، والسماح لصناعة الأجهزة التحليلية في الصين بالانتقال نحو المستوى الراقي.