Anwendungen der Online-Überwachungstechnologie für die Rauchgasfeuchte (Luftfeuchtigkeit)
Brennstoffzellen-Sensortechnologie
Abgasemissionen verschiedener Brenner, Industrie- und Gewerbekessel verursachen erhebliche Luftverschmutzung. Die Überwachung toxischer und schädlicher Gase im Abgas ist ein wichtiger Aspekt des Umweltschutzes. Kontinuierliche Emissionsüberwachungssysteme (CEMS) wurden entwickelt, um diesem Bedarf gerecht zu werden. Diese Systeme quantifizieren Abgasschadstoffe üblicherweise unter der Annahme, dass das Abgas trocken ist. Industriell erzeugtes Abgas ist jedoch kein ideal trockenes Gas und enthält stets einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt. Daher ist die Abgasfeuchte zu einem essenziellen Messparameter bei der Überwachung von Abgasverschmutzungsquellen geworden. Die Genauigkeit ihrer Messung beeinflusst direkt die Berechnung der Gesamtschadstoffemissionen und -konzentrationen sowie die Bewertung der Effizienz von Abgasreinigungsanlagen.
Darüber hinaus stellt die Feuchtigkeitskalibrierung eine erhebliche Herausforderung dar. Dies liegt an der schwierigen Herstellung von Hochtemperatur-Feuchtegeneratoren, was die Rückführbarkeit der Messwerte von Online-Feuchtemessgeräten beeinträchtigt. Zur Überprüfung und Kalibrierung von Abgasfeuchtemessgeräten sind Geräte zur Erzeugung von Standard-Feuchtequellen sowie Feuchtigkeits-Referenzwerten und -Standards unerlässlich. Feuchtemessmethoden zur Bestimmung der absoluten Feuchte können als Feuchtigkeits-Referenzwerte dienen, ebenso wie Gase mit bekanntem Feuchtigkeitsgehalt. Die Norm „Bestimmung von Partikeln und Probenahmeverfahren für gasförmige Schadstoffe aus Abgasen stationärer Anlagen“ (GB/T 16157-1996) spezifiziert drei Methoden zur Messung der Abgasfeuchte: die Feuchtkugelmethode, die Kondensationsmethode und die gravimetrische Methode. Diese drei Methoden dienen als Referenzmethoden zur Abgasfeuchtemessung und können zur Kalibrierung von Abgasfeuchtemessgeräten verwendet werden. Feuchtegeneratoren, die unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen konstant feuchtes Gas erzeugen, können ebenfalls zur Kalibrierung von Abgasfeuchtemessgeräten eingesetzt werden. Mit dem technologischen Fortschritt und dem zunehmenden Fokus des Landes auf Umweltschutz gibt es in China derzeit vier Hauptmethoden zur Online-Messung der Rauchgasfeuchte bei hohen Temperaturen: die Methode der konstanten Durchflussinjektion (Nass-Trocken-Kugel-Methode), die Widerstands-Kapazitäts-Methode, die Zirkonoxid-basierte Ionenflussmethode (Grenzstrommethode) und die Infrarot-Spektralabsorptionsmethode.
Einführung in die Messmethoden für die Rauchgasfeuchte
>> Methode mit Feucht-Trocken-Kugelkopf
Die Methode der Feucht- und Trockenkugelmessung misst die relative Luftfeuchtigkeit anhand der Differenz zwischen Feucht- und Trockenkugeltemperatur. Wassermoleküle verdunsten von der Oberfläche der Feuchtkugel zu Wasserdampf, wobei Verdampfungswärme aufgenommen wird. Die kontinuierliche Verdunstung entzieht der Oberfläche Wärme und kühlt die Feuchtkugel ab. Der Kühlgrad hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung, dem Luftdruck und der Windgeschwindigkeit ab. Bei konstantem Luftdruck und konstanter Windgeschwindigkeit gilt: Je höher die relative Luftfeuchtigkeit, desto geringer die Verdunstungsrate von der Oberfläche der Feuchtkugel und desto niedriger die Oberflächentemperatur der Feuchtkugel (Differenz zwischen Feucht- und Trockenkugeltemperatur); umgekehrt ist die Differenz zwischen Feucht- und Trockenkugeltemperatur umso größer. Durch Messung der Temperaturdifferenz und Bestimmung des Zusammenhangs zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und dieser Temperaturdifferenz lässt sich die relative Luftfeuchtigkeit berechnen.2,3
>> Das Prinzip der Feuchtigkeitsmessung mit der Feucht-Trocken-Kugel-Methode
Nach den Prinzipien der Wärme- und Feuchteübertragung ist bei Erreichen des thermischen und feuchten Gleichgewichts die Wärmemenge Q1, die von der Luft zum Feuchtkugelkern übertragen wird, gleich der latenten Wärme Q2, die für die Verdunstung der Feuchtigkeit aus dem Gewebe erforderlich ist, d. h.: Q1 = Q2 (1)
Basierend auf dem Wärmeübertragungsprinzip: Q1=α（t-tw）F (2)
In der Formel: α ist der Wärmeaustauschkoeffizient zwischen Luft und der Wasseroberfläche bei Feuchtkugeltemperatur, W/m2 ·℃; t ist die Temperatur bei Trockenkugeltemperatur, °C; tw ist die Temperatur bei Feuchtkugeltemperatur, °C; F ist die Oberfläche bei Feuchtkugeltemperatur, m².
Gemäß dem Feuchtetransportprinzip und dem Daltonschen Verdunstungsgesetz ist die Masse des verdunsteten Wassers direkt proportional zum Wasserdampfsättigungsdefizit der umgebenden Luft und der Verdunstungsfläche und umgekehrt proportional zum atmosphärischen Druck zu diesem Zeitpunkt. Daher lässt sich die Feuchteaustauschrate[4] wie folgt ausdrücken:
In der Formel: W ist die Feuchtigkeitsaustauschrate, kg/s; r ist die Verdampfungswärme, J/kg; β ist der Feuchtigkeitsaustauschkoeffizient, kg/(m²·s·Pa); F ist die Feuchtkugeloberfläche, m²; B ist der tatsächliche atmosphärische Druck, Pa; P´q,b ist der Partialdruck des gesättigten Wasserdampfs bei Feuchtkugeltemperatur, Pa; Pq ist der Partialdruck des Wasserdampfs in der Luft, Pa.
Abgeleitet aus den Formeln (1), (2) und (3):
In der Formel: der Psychrometerkoeffizient
Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt daher:
Die Trocken-Feuchtkugel-Methode zur Abgasüberwachung nutzt üblicherweise zwei identische Thermoelemente als Temperaturfühler: eines zur Messung der Trocken- und eines zur Messung der Feuchtkugeltemperatur. Das Thermoelement für die Trockenkugeltemperatur befindet sich im Abgasstrom, während das Thermoelement für die Feuchtkugeltemperatur mit Baumwollgaze umwickelt und an einen Wasserbehälter angeschlossen ist. Feuchtkugel und umgebendes Abgas werden als ein System betrachtet, die Wärmestrahlung wird dabei nicht berücksichtigt. Ein automatisches Feuchtigkeitsmessgerät, das auf dem Trocken-Feuchtkugel-Prinzip basiert, steuert mithilfe eines Mikroprozessors Sensoren, die Parameter wie die Oberflächentemperaturen von Trocken- und Feuchtkugel, den Druck über die Feuchtkugeloberfläche und den statischen Abgasdruck messen und erfassen. Es ermittelt den Sättigungsdampfdruck bei der Feuchtkugeloberflächentemperatur und berechnet daraus, unter Berücksichtigung des atmosphärischen Eingangsdrucks, automatisch den Rauchgasfeuchtegehalt.
1-Rauchrohr;
2-Thermometer mit Trockenkugel;
3-Feuchtkugelthermometer;
4-Isoliertes Probenahmerohr;
5-Vakuummanometer;
6-Rotationsmesser;
7-Luftsaugpumpe
>> Methode der Strahlreinigung mit konstantem Durchfluss
Konstantstrom-Strahlverfahren (Feuchtkugelverfahren). Das Grundprinzip der Feuchtkugelmessung: Ein Temperatursensor (5) misst die Abgastemperatur als Trockenkugeltemperatur. Eine Messzelle (3) wird mit einer bestimmten Wassermenge gefüllt. Das Wasser im Wassertank (1) wird kontinuierlich mittels einer Schlauchpumpe (2) in die Messzelle gefördert. Der Wasserstand in der Messzelle wird von einem Sensor überwacht, und ein weiterer Sensor erfasst den Druck innerhalb der Zelle, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten und den Flüssigkeitsdruck zu überwachen. Ein Temperatursensor (6) ist in der Messzelle installiert und muss unterhalb der Wasseroberfläche positioniert sein. Das Abgas wird dann mit konstanter Durchflussrate direkt über die Wasseroberfläche in der Messzelle gestrahlt, und die gemessene Temperatur dient als Feuchtkugeltemperatur (siehe Abbildung 2). Aus den Prinzipien der Wärmeübertragung und Thermodynamik lässt sich die folgende mathematische Formel ableiten:
In der Formel
U – Relative Luftfeuchtigkeit %;
etw—Sättigter Wasserdampfdruck bei Feuchtkugeltemperatur;
et – Sättigungsdampfdruck von Wasser bei Trockenkugeltemperatur;
P – Atmosphärischer Druck;
∆t—Temperaturdifferenz zwischen Trocken- und Feuchtkugeltemperatur;
A – Konstante in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit.
Chang Ais Hochtemperatur-Hygrometer mit konstantem Durchfluss und Strahltechnik
Das CI-PC39 von Chang Ai hat sich in Hochtemperatur- und Hochfeuchte-Messprozessen sowie in Prozessen mit korrosiven und staubhaltigen Gasen bewährt. In vielen industriellen Prozessen ist die Überwachung und Regelung der Prozessgasfeuchtigkeit unerlässlich, um die Produktqualität zu sichern, die Energieeffizienz zu optimieren oder Emissionsreduktionsziele zu erreichen. Das CI-PC39 ist ein Prozesshygrometer, das für höchste industrielle Anforderungen entwickelt wurde, darunter die Feuchtigkeitsmessung in aggressiven, korrosionsbeständigen Medien (z. B. in Müllverbrennungsanlagen, Schwefelsäure, Flusssäure oder Königswasser). Es zeichnet sich durch präzise und zuverlässige Messdaten, einen breiten Temperaturbereich, geringen Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer aus. Zu seinen Nachteilen zählen der hohe Preis, die Größe und die Notwendigkeit des regelmäßigen Nachfüllens von Wasser.
Anhand der obigen mathematischen Formel lässt sich deutlich erkennen, dass die Konstantstrom-Strahlmethode zur Feuchtigkeitsmessung im Rauchgas durch indirekte Messung der Rauchgastemperatur realisiert wird. Ein repräsentatives Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.
Die Temperaturmesstechnik ist relativ ausgereift und zuverlässig. Selbst unter extremen Betriebsbedingungen lassen sich die Temperatursensoren problemlos vor Ort austauschen. Obwohl das Funktionsprinzip des Feuchtkugel-Hygrometers auf der Konstantstrahlmethode beruht, unterscheidet es sich von den im Handel erhältlichen Hygrometern, die von meteorologischen Diensten zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden. Dieses Hygrometer erzielt die genannten Messergebnisse durch ein völlig neues – ja revolutionäres – innovatives Design.
Kondensationsmethode
Das Prinzip des Kondensationsverfahrens ist folgendes: Eine bestimmte Menge Abgas wird aus dem Abgasrohr entnommen und durch einen Kondensator geleitet. Der Feuchtigkeitsgehalt im Abgas wird berechnet, indem die Menge des kondensierten Wassers und die Menge des im gesättigten, aus dem Kondensator austretenden Abgas enthaltenen Wasserdampfs addiert werden.
● Kondensator, siehe Abbildung (1)
● Rauchgasstaubprobenahmegerät: Es besteht aus einem Rauchgasstaubprobenehmer (der in der Lage ist, tr, tv, Pr, Qrw zu messen, eine Zeiteinstellung n zu haben und über eine Gastrocknungsfunktion verfügt), einem Probenahmerohr und einer Luftpumpe.
>> Erkennungsverfahren
● Schließen Sie den Kondensator an das Kaltwasserrohr an oder stellen Sie ihn direkt in Eiswasser. Schließen Sie dann das gesamte System wie in Abbildung 2 gezeigt an und überprüfen Sie das gesamte System auf Gaslecks.
● Prüfverfahren für Gaslecks: Den Gummischlauch zwischen Probenahmerohr und Kondensator verschließen und die Luftpumpe einschalten. Sobald der vom Manometer vor dem Durchflussmesser angezeigte Unterdruck 6,6 kPa (50 mmHg) erreicht, den Gummischlauch zwischen Durchflussmesser und Luftpumpe wieder verschließen und die Pumpe abstellen. Fällt der Druck am Manometer innerhalb einer Minute um nicht mehr als 0,2 kPa (1,5 mmHg) ab, ist das System luftdicht.
Abbildung (2) Feuchtigkeitsmess- und Probenahmesystem
| Kathodische Reduktionsreaktion | O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH |
| Anodische Oxidationsreaktion | 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ |
Wie aus den obigen Elektrodenreaktionsgleichungen hervorgeht, entsteht kein Verbrauch an Elektrolysezelle oder Elektroden. Daher müssen Anwender die Elektroden oder die Elektrolysezelle während des Betriebs nicht austauschen; sie müssen lediglich regelmäßig destilliertes Wasser und Elektrolyt nachfüllen (der Elektrolyt nimmt durch natürliche Verdunstung ab). Dies unterscheidet sich von den zuvor erwähnten Brennstoffzellen-Sauerstoffsensoren, die in der Regel alle ein bis zwei Jahre ausgetauscht werden müssen.
Bei der Einführung von Sauerstoffsensoren auf Basis alkalischer Brennstoffzellen wird darauf hingewiesen, dass diese nicht in Anwendungen eingesetzt werden dürfen, bei denen das Messgas saure Komponenten enthält. Der elektrolytische Sauerstoffsensor Delta F verwendet eine alkalische KOH-Lösung als Elektrolyt. Um Störungen durch saure Gase zu vermeiden und Elektrodenkorrosion vorzubeugen, ist der Sensor mit zwei Stab-EL-Hilfselektroden ausgestattet. Diese Hilfselektroden entfernen die schädlichen Gase, nachdem das säurehaltige Probengas in die Elektrolysezelle gelangt ist. Dadurch wird eine Beschädigung des Sensors verhindert und die Genauigkeit der Messwerte des Analysators sichergestellt.
Abbildung 6-4 Schematische Darstellung des Delta-F-Sauerstoffsensors
