Увядзенне і распрацоўка прымянення онлайн-аналізатара высокай тэмпературы і вільготнасці дымавых газаў
Увядзенне і распрацоўка прымянення онлайн- аналізатара высокай тэмпературы і вільготнасці дымавых газаў
Прадмова
Вымярэнне вільготнасці дымавых газаў у выхлапных газах стацыянарных крыніц забруджвання ў асноўным прызначана для атрымання сухога ўтрымання кіслароду для разліку фактычнага ўтрымання дымавых газаў і газападобных забруджвальных выкідаў. З-за высокай тэмпературы вільготных дымавых газаў, вялікай колькасці пылу і вялікай розніцы ў кампанентах дымавых газаў катлоў або прамысловых печаў, якія выкарыстоўваюцца ў прамысловай галіне, такіх як цеплавыя электрастанцыі, нафтахімічныя заводы, заводы па спальванні смецця, сталеліцейныя заводы і г.д., вымярэнне вільготнасці ва ўсім свеце з'яўляецца складанай праблемай, таму онлайн-вызначэнне вільготнасці дымавых газаў вельмі складанае. У апошнія некалькі гадоў вымярэнне высокай тэмпературы і вільготнасці бытавых дымавых газаў у асноўным праводзілася ўручную, гэта значыць, у адпаведнасці з патрабаваннямі GB/T 16157-1996 "Метад вызначэння цвёрдых часціц і адбору проб газападобных забруджвальных рэчываў у выхлапных газах стацыянарных крыніц забруджвання", для вызначэння былі абраны метад вагі, метад кандэнсацыі і метад сухога вільготнага шарыка, а сярэдняе значэнне ўводзілася ў сістэму CEMS. З развіццём і прагрэсам тэхналогій і ўсё большай увагай да аховы навакольнага асяроддзя ў Кітаі ў цяперашні час існуюць чатыры віды метадаў вымярэння высокай тэмпературы і вільготнасці дымавых газаў у рэжыме рэальнага часу: 1. Метад супраціўлення і ёмістасці. 2. Метад на аснове аксіду цырконія з выкарыстаннем абмежавальнага току. 3. Метад ударнага ўпырску (сухі і вільготны шар). 4. Метад паглынання інфрачырвонага спектру.
1. Метад вымярэння супраціўлення і ёмістасці
У Кітаі для вымярэння высокіх тэмператур і вільготнасці дымавых газаў выкарыстоўваецца метад ёмістасці, які выкарыстоўвае супраціўленне. У датчыках, якія выкарыстоўваюцца ў гэтым метадзе, у асноўным выкарыстоўваецца поліімід у якасці вільготнаадчувальнага матэрыялу. Палімерная вільготнаадчувальная ёмістасць, вырабленая з гэтага матэрыялу, мае добрыя электрычныя характарыстыкі, а яе дыэлектрычная пранікальнасць і дыэлектрычныя страты вельмі малыя. Дыэлектрычная пранікальнасць полііміду складае 2~3 у стане поўнага высыхання, а дыэлектрычная пранікальнасць малекулы вады пры 20°C складае каля 80. Аднаўленне дыэлектрычнай пранікальнасці пасля адсорбцыі малекулы вады складае:
εu=εr+aWuεh (1)
Wu=b(p/p0)εr+ aWuεh (2)
εu — дыэлектрычная пастаянная адноснай вільготнасці кампазітнага матэрыялу пры адноснай вільготнасці (u%RH), εr — вільготнасць пры 0%RH, дыэлектрычная пастаянная полііміднай плёнкі, a, b — структурная пастаянная, εh — дыэлектрычная пастаянная вады, адсарбаванай у полііміднай плёнцы, Wu — вільготнасць пры u%RH, маса вады, адсарбаванай адзінкай масы палімера, p/p0 — адносны ціск раўнавагі вадзяной пары. Калі макрамалекула, адчувальная да вільгаці, паглынае газападобныя малекулы вады з навакольнага асяроддзя, дыэлектрычная пастаянная матэрыялу змяняецца, што прыводзіць да змены значэння ёмістасці; адпаведнае значэнне вільготнасці навакольнага асяроддзя разлічваецца шляхам вымярэння змены значэння ёмістасці. У цяперашні час палімерны вільготнаадчувальны кандэнсатар, які выкарыстоўваецца для вымярэння высокіх тэмператур і вільготнасці ў дымавых газах, мае плоскую структуру кандэнсатара, якая ў асноўным складаецца са шкляной падкладкі, ніжняга электрода, палімернай вільготнаадчувальнай плёнкі, верхняга электрода і г.д. Згодна з формулай плоскага кандэнсатара, сувязь паміж ёмістасцю і адноснай вільготнасцю можна выразіць як
Малюнак 1. Структурная схема палімернай ёмістасці, адчувальнай да вільгаці
Значэнне ёмістасці вільготна-адчувальнай ёмістасці Ch, ε0 — дыэлектрычная пастаянная вакууму, S — плошча вільготна-адчувальнага ёмістнага электрода, D — адлегласць паміж вільготна-адчувальнымі ёмістнымі электродамі, а таксама таўшчыня вільготна-адчувальнай плёнкі. З формул (1), (2) і (3) відаць, што залежнасць паміж малекулярнай адсарбцыйнай здольнасцю вады вільготна-адчувальнай ёмістасці і адносным ціскам раўнавагі вадзяной пары павінна адпавядаць ізатэрме адсарбцыі Херры, гэта значыць залежнасць паміж ёмістнасцю і адноснай вільготнасцю з'яўляецца лінейнай.
Карацей кажучы, можна заўважыць, што вымярэнне вільготнасці пры высокай тэмпературы адлюстроўвае адносную вільготнасць у дымавых газах метадам аб'ёмнага супраціўлення, згодна з вызначэннем адноснай вільготнасці: адносную вільготнасць можна выразіць як суадносіны ціску вады да ціску насычанай вадзяной пары пры пэўнай тэмпературы і ціску. Згодна з вызначэннем, адносная вільготнасць і тэмпература цесна звязаныя, на практыцы нам патрэбна значэнне вільготнасці дымавых газаў - гэта суадносіны аб'ёмаў, зручнае для разліку ўтрымання сухога кіслароду ў дымавых газах. Такім чынам, каб разлічыць суадносіны аб'ёмаў вадзяной пары ў дымавых газах, неабходна вымераць тэмпературу навакольнага асяроддзя з дапамогай датчыка вільготнасці.
Згодна з фактычным выкарыстаннем вымяральніка вільготнасці дымавых газаў метадам рэзістычнага вымярэння ёмістасці, гэты метад характарызуецца хуткім часам водгуку, малым аб'ёмам і нялёгкасцю пашкоджання пры кандэнсацыі вады. Недахопам з'яўляецца тое, што тэмпература дымавых газаў не можа перавышаць 170°C, чым вышэй тэмпература, тым лягчэй паказанні вагаюцца, а аб'ёмнае суадносіны менш за 6% вільготнасці вымераць няпроста. Прычына ў тым, што пры вільготнасці ад 0 да 40% (аб'ёмнае суадносіны) вадзянога газу (больш за 30°C), пры тэмпературы (больш за 100°C) адпавядае ціску насычанай вады, чым большая адносная вільготнасць, тым меншым будзе адпаведнае змяненне ёмістасці. Аднак дыяпазон або раздзяляльная здольнасць змены ёмістасці абмежаваны. Па-трэцяе, дымавыя газы ад спальвання адходаў, металургічных дымавых газаў і г.д. часта маюць пэўную каразійную актыўнасць, электроды лёгка выходзяць з ладу, а тэрмін службы вельмі кароткі.
2. Прынцыповы метад абмежавання току цырконія
Абмежаваны ток цырконія працуе па прынцыпе кіслароднага помпы з цырконія
Гэта значыць, спачатку цвёрды электраліт з цырконія награваецца да высокай тэмпературы (больш за 350°C), адначасова на плацінавыя электроды з абодвух бакоў цвёрдага электраліта з цырконія падаецца працоўнае напружанне, малекула кіслароду на баку катода каталізуецца ў іоны кіслароду і пад уздзеяннем прыкладзенага напружання «перапампоўваецца» да анода. Выхадны ток датчыка не павялічваецца з павелічэннем прыкладзенага напружання, калі канцэнтрацыя кіслароду ў атмасферы пэўная, а дасягае пастаяннага значэння, якое называецца гранічным значэннем току пры канцэнтрацыі кіслароду і звычайна называецца першай платформай гранічнага току I1. Згодна з гэтым прынцыпам, размясціўшы датчык гранічнага току ў асяроддзі, якое змяшчае вадзяную пару, і павялічыўшы прыкладзенае напружанне, можна вымераць значнае гранічнае значэнне току, звычайна вядомае як другая ступень гранічнага току I2, хоць гэта значэнне току змяшчае малекулы кіслароду і малекулы вады, якія іянізаваны. Два гранічныя значэнні току прапарцыйныя ўтрыманню кіслароду ў асяроддзі і ўтрыманню кіслароду, які змяшчае вадзяную пару, адпаведна. Механізм мікрарэакцыі цырконія на катодзе і анодзе наступны:
бок катода O2+4e-→2O2- (1)
H2O+2e-→H2+O2- (2)
Бок анода O2-→1/2O2+2e- (3)
Малюнак 2. Структура датчыка з аксіду цырконія тыпу абмежавання току
Згодна з правілам Фікса для абмежавання дыфузіі газу ў датчыку, калі дапусціць, што каэфіцыенты дыфузіі кіслароду і вадзяной пары роўныя, два гранічныя значэнні току можна выразіць наступным чынам:
У формуле: F — пастаянная Фарадэя
D — каэфіцыент дыфузіі змешаных газаў
S — плошча дыфузійнай адтуліны (адтуліны), якая абмяжоўвае ток, у аксіде цырконія.
P — агульны ціск газавай сумесі
R — газавая пастаянная
T — рабочая тэмпература цырконія (K)
L — даўжыня газадыфузійнай адтуліны
Змест кіслароду ў дымавых газах можна разлічыць па першым лімітавым току, а вільготнасць у дымавых газах — па рознасці паміж другім лімітавым токам і першым лімітавым токам. Такім чынам, выкарыстанне прыбора для вымярэння вільготнасці на аснове аксіду цырконія, які працуе па прынцыпе лімітавага току, мае відавочную перавагу ў параўнанні з іншымі прыборамі для вымярэння вільготнасці, бо ён з'яўляецца вымярэннем кіслароду, і для вымярэння вільготнасці неабходна вымяраць кісларод. Карыстальніку не трэба ўсталёўваць аналізатар кіслароду, бо прыбор для вымярэння вільготнасці можа адначасова атрымліваць два вымяральныя дадзеныя.
Зыходзячы з фактычнага выкарыстання метаду абмежавання току аксіду цырконію, перавагі вільготнасці заключаюцца ў малым аб'ёме, высокай дакладнасці вымярэння, магчымасці выкарыстання тэмпературы дымавых газаў ад нармальнай тэмпературы да 500°C, высокай цане. Недахопам з'яўляецца тое, што прыладу нельга запускаць у вадкай вадзе або з вадкай вадой, і прылада лёгка атруціцца ў атмасферы дымавых газаў, якая змяшчае вялікую колькасць дыяксіду крэмнію або цяжкіх металаў, такіх як мыш'як і свінец.
Насамрэч, калі згадваецца каталітычны электрод з аксіду цырконію, звычайна для дэсульфурызацыі патрэбны плацінавы электрод з-за высокага ўтрымання серы ў вуглі ў Кітаі. Аднак пярэдні і задні канцы дэсульфурызацыйнай вежы часта патрабуюць кантролю дымавых газаў, але калі плацінавы электрод з аксіду цырконію працуе ў асяроддзі дымавых газаў з высокім утрыманнем SO2 на працягу доўгага часу, тэрмін службы таксама значна зменшыцца. Такім чынам, на практыцы, напрыклад, пры дэсульфурызацыі, здабычы серы ў прыродным газе, спальванні адходаў і г.д., аксід цырконіевы электрод, які выкарыстоўвае плацінавы электрод, лёгка падвяргаецца карозіі. У апошнія гады, каб вырашыць праблему ўплыву каразійнай атмасферы на тэрмін службы аксіду цырконію з абмежаваным токам, кампанія Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. увяла смелую інавацыю з выкарыстаннем датчыка цырконію, які выкарыстоўваецца ў пераўтваральніку вільготнасці PC18. Каталітычны электрод з аксіду цырконію быў заменены на керамічны, што адразу вырашыла праблему прымянення аксіду цырконію з абмежаваным токам ва ўмовах спальвання медыцынскіх адходаў, нафтахімічнай прамысловасці, ЛОС і г.д.
Датчык вільготнасці PC18
3. Метад ударнай бруі (сухі-вільготны шар)
Асноўны прынцып вымярэння вільготнасці метадам сухога вільготнага шара: тэмпература дымавых газаў вымяраецца з дапамогай датчыка тэмпературы, які выкарыстоўваецца ў якасці тэмпературы сухога шара, затым у вымяральны басейн напаўняецца пэўнай колькасцю вады, затым у вымяральны басейн усталёўваецца датчык тэмпературы, які павінен быць размешчаны пад паверхняй вады. Дымавыя газы бесперапынна ўздзейнічаюць на паверхню вады непасрэдна над датчыкам тэмпературы вымяральнага басейна, і вымераная тэмпература прымаецца за тэмпературу вільготнага шара. Згодна з прынцыпам цеплаперадачы і тэорыяй тэрмадынамікі, можна атрымаць наступную матэматычную формулу:
у формуле：
адносная вільготнасць %
Ціск насычанай вады пры тэмпературы вільготнай сферы
ціск насычанай вады пры тэмпературы сухога шара
атмасферны ціск
розніца паміж тэмпературай сухога і вільготнага мяча
пастаянная, звязаная з хуткасцю ветру
Згодна з прыведзенай вышэй матэматычнай формулай, мы можам выразна сказаць, што метад ударнага ўпырску для вымярэння вільготнасці ў дымавых газах дасягаецца шляхам ускоснага вымярэння тэмпературы дымавых газаў. Тэхналогія вымярэння тэмпературы з'яўляецца адносна сталай і надзейнай. Нават пры вельмі дрэнных умовах працы датчык тэмпературы змяняецца вельмі хутка.
Згодна з практычнымі ўмовамі прымянення на заводах па здабычы серы з прыроднага газу, харчовых заводах, тэкстыльных заводах, заводах па спальванні смецця і г.д., прыбор для атрымання высокай тэмпературы і вільготнасці метадам ударнага распылення (сухо-вільготны шар) мае працяглы тэрмін службы (у цяперашні час выкарыстоўваецца ўжо пяць гадоў запар і працуе нармальна), вымераныя дадзеныя дакладныя і надзейныя, добра адаптуюцца да суровых умоў навакольнага асяроддзя, маюць шырокі дыяпазон тэмпературнай адаптацыі і непатрабавальныя ў абслугоўванні. Недахопам з'яўляецца высокая цана, вялікі аб'ём і неабходнасць рэгулярнага далівання вады.
Нягледзячы на тое, што метад ударнага ўпырску з'яўляецца прынцыпам працы сухога і вільготнага шарыка, ён не з'яўляецца распаўсюджаным прыборам для вымярэння адноснай вільготнасці паветра ў метэаралагічнай службе, напрыклад, прыборам Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. CI-PC39 - гэта зусім новы або нават новы інавацыйны дызайн для дасягнення вышэйзгаданага эфекту вымярэння.
Аналізатар вільготнасці CI-PC39
4. метад інфрачырвонага паглынання
Шырокаспектральнае ІЧ-паглынанне заснавана на прынцыпе, што селектыўнае паглынанне малекул вадзяной пары на пэўных даўжынях хваль інфрачырвонага выпраменьвання змяняецца ў залежнасці ад іх канцэнтрацыі. Аднак з 1912 года, калі Фоўл упершыню прапанаваў інфрачырвонае вымярэнне вільготнасці, вымярэнне вільготнасці адбываецца павольна з-за тэхналогіі шырокаспектральнага паглынання, абмежаванай традыцыйнай тэхналогіяй інфрачырвонага паглынання. З хуткім развіццём паўправадніковай лазернай спектраскапіі (DLAS) у 1990-х гадах быў распрацаваны анлайн-аналізатар высокіх тэмператур і вільготнасці дымавых газаў. У параўнанні з традыцыйнай інфрачырвонай абсарбцыйнай абсарбцыйнай спектраскапіяй, DLAS адносіцца да вузкаспектральнага паглынання, таму што спектральная шырыня (менш за 0,0001 нм) паўправадніковай лазернай крыніцы значна меншая за пашырэнне лініі паглынання газу. Кожная малекула газу мае свой уласны спектр паглынання, і калі спектр выпраменьвання крыніцы святла супадае са спектрам паглынання малекулы газу, інтэнсіўнасць паглынання звязана з аб'ёмнай доляй газу. Зірнуўшы на адпаведную базу дадзеных, можна выявіць, што паглынанне вадзянога газу вельмі моцнае паблізу лініі паглынання з даўжынёй хвалі 1390 нм, і няма відавочных перашкод для паглынання іншымі газамі. Калі паўправадніковы лазер з інтэнсіўнасцю I0 праходзіць праз вымяральны газ, і спектр крыніцы святла перакрывае спектр паглынання малекулы газу, святло будзе затухаць пры праходжанні праз газ. Згодна з законам Ламберта-Бэра, сувязь паміж інтэнсіўнасцю I выходнага святла і інтэнсіўнасцю I0 падаючага святла, а таксама аб'ёмнай канцэнтрацыяй газу выглядае наступным чынам:
У формуле (1) I і I0 — гэта адпаведна інтэнсіўнасць выходнага і падаючага святла; α(λ) — гэта каэфіцыент паглынання асяроддзя з адзінкавай канцэнтрацыяй і адзінкавай даўжынёй пры пэўнай даўжыні хвалі. C — канцэнтрацыя газу, які вымяраецца, L — аптычны шлях.
Каб атрымаць больш высокую адчувальнасць і паменшыць 1/f-шум лазера, тэхніка DLAS звычайна патрабуе тэхнікі дэтэктавання спектру мадуляцыі. Гэтая тэхніка значна памяншае ўплыў лазернага шуму на вымярэнні з дапамогай высокачастотнай мадуляцыі. У той жа час, вузкачастотны паласавы фільтр можна атрымаць, усталяваўшы большую пастаянную часу для фазаадчувальнага дэтэктара, які выкарыстоўваецца ў тэхніцы фазаадчувальнага дэтэктавання (дэтэктаванне гарманічных кампанентаў), тым самым эфектыўна сціскаючы паласу прапускання шуму.
Калі для вымярэння дымавых газаў выкарыстоўваецца высокатэмпературны аналізатар вільготнасці дымавых газаў, распрацаваны DLAS, вынаходніцтва адносіцца да бескантактавых вымярэнняў, якія не могуць быць выкліканы забруджваннем датчыка або перашкодамі фонавага газу. Вынаходніцтва мае перавагі хуткага часу водгуку, высокай дакладнасці дадзеных вымярэнняў, працяглага перыяду каліброўкі і практычна адсутнасці тэхнічнага абслугоўвання. Недахопам з'яўляецца высокая цана.
5. тэндэнцыя развіцця
Як вядома, асноўныя кампаненты аналітычных прыбораў у нашай краіне — датчыкі. З-за позняга пачатку базавай прамысловасці ў нашай краіне назіраецца слабасць. Нягледзячы на тое, што пасля столькіх гадоў развіцця айчынныя вытворцы аналітычных прыбораў дасягнулі значнага прагрэсу ў авалоданні асноўнымі тэхналогіямі, разрыў у параўнанні з замежнымі краінамі ўсё яшчэ вельмі відавочны. Большасць айчынных вытворцаў аналітычных прыбораў купляюць замежныя датчыкі, а потым распрацоўваюць другія прыборы, каб выйсці на рынак з аднастайнай цэнавай канкурэнцыяй. Людзей засмучае тое, што рынак аналітычных прыбораў нізкага класа (рынак высокага класа практычна манапалізаваны замежнымі краінамі) у доўгатэрміновай перспектыве паўплывае або запаволіць развіццё айчыннай прамысловасці аналітычных прыбораў.
У цяперашні час з-за цаны на рынку інтэрнэт-прыбораў для вымярэння вільготнасці высокай тэмпературы ў асноўным выкарыстоўваюцца метады рэзістыўнай ёмістасці і цырконіевага абмежавання току. Прыборы для вымярэння вільготнасці высокай тэмпературы, заснаваныя на прынцыпе метаду ўдарнай струі (сухі-вільготны шар) і метаду інфрачырвонага спектру паглынання, маюць вельмі нізкую долю рынку. Кампанія Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., дзякуючы доўгатэрміновым і нястомным намаганням, самастойна распрацавала вышэйзгаданы інтэрнэт-прыбор для вымярэння вільготнасці дымавых газаў высокай тэмпературы з абмежаваннем току і метад ударнага ўпырску асноўных кампанентаў - вымяральны басейн. Некаторыя айчынныя навукова-даследчыя інстытуты, такія як China Electrical Science 49, таксама могуць вырабляць датчыкі для вымярэння вільготнасці высокай тэмпературы метадам рэзістыўнай ёмістасці, але прадукцыйнасць нестабільная, далёка ад індустрыялізацыі, у цяперашні час рынак у асноўным распрацаваны за мяжой. Паўправадніковы лазерны дыёд, асноўны кампанент інтэрнэт-прыбора для вымярэння вільготнасці дымавых газаў высокай тэмпературы, які выкарыстоўвае метад інфрачырвонага спектру паглынання, не можа быць выраблены айчыннымі вытворцамі. Толькі Германія, ЗША, Нідэрланды і некаторыя іншыя краіны могуць гэта зрабіць. Адсутнасць або недахоп асноўных тэхналогій абмяжоўвае развіццё і прагрэс інтэрнэт-прыбораў для вымярэння вільготнасці дымавых газаў высокай тэмпературы.
У будучыні развіццё анлайн-прыбораў для вымярэння вільготнасці дымавых газаў пры высокай тэмпературы будзе абмежавана рознымі фактарамі. Прыборы для вымярэння вільготнасці, якія працуюць па чатырох вышэйзгаданых прынцыпах, будуць існаваць адначасова. Можна прагназаваць, што прыборы для вымярэння вільготнасці, заснаваныя на метадах супраціўлення і абмежавання току на аснове аксіду цырконія, яшчэ больш павысяць надзейнасць і тэрмін службы. Прыборы для вымярэння вільготнасці, заснаваныя на метадах ударнага ўпырску, яшчэ больш паменшаць аб'ём, знізяць кошт і павялічаць долю рынку. Інфрачырвоны абсарбцыйны вільготны вымяральнік павінен быць найбольш перспектыўным і прадстаўляе сабой кірунак развіцця анлайн-прыбораў для аналізу газу. Але калі айчынныя вытворцы не змогуць вырашыць праблему распрацоўкі і вытворчасці паўправадніковых лазерных дыёдаў, гэта абмяжуе выдаткі на зніжэнне кошту, паўплывае на прасоўванне на рынак. Нават калі замежныя пастаўшчыкі знізяць цэны, айчынныя прадпрыемствы змогуць працаваць толькі на замежныя прадпрыемствы, а затым весці канкурэнцыю па нізкіх цэнах у Кітаі і змагацца з цэнавай вайной. Мы спадзяемся, што айчынная прамысловая асацыяцыя анлайн-аналітычных прыбораў або адпаведныя дзяржаўныя ведамствы змогуць спрыяць супрацоўніцтву паміж універсітэтамі, навукова-даследчымі інстытутамі і прадпрыемствамі, дапаўняць перавагі адзін аднаго, хутчэй парушыць манаполію замежных вытворцаў і дазволіць кітайскай індустрыі аналітычных прыбораў рухацца да высокага класа.
