Aplicaciones de la tecnología de monitorización en línea para la humedad de los gases de combustión.
Tecnología de sensores para pilas de combustible
Las emisiones de gases de combustión procedentes de diversos quemadores y calderas industriales y comerciales han provocado una grave contaminación atmosférica. La monitorización de los gases tóxicos y nocivos presentes en estos gases es un aspecto fundamental de las iniciativas de protección ambiental. Para abordar esta necesidad, han surgido los Sistemas de Monitorización Continua de Emisiones (SMC), que generalmente cuantifican los contaminantes de los gases de combustión en condiciones de sequedad. Sin embargo, los gases de combustión industriales no son idealmente secos y siempre contienen cierta cantidad de humedad. Por lo tanto, la humedad de los gases de combustión se ha convertido en un parámetro de medición esencial en la monitorización de las fuentes de contaminación, y la precisión de su medición afecta directamente al cálculo de las emisiones y concentraciones totales de contaminantes, así como a la evaluación de la eficiencia del sistema de purificación de gases de combustión.
Además, la calibración de la humedad también representa un desafío importante. Esto se debe a la dificultad de fabricar generadores de humedad de alta temperatura, lo que afecta la trazabilidad de los valores de medición de los instrumentos de medición de humedad en línea. Para verificar y calibrar los medidores de humedad de gases de combustión, es esencial contar con dispositivos capaces de generar fuentes de humedad estándar, así como referencias y estándares de humedad. Los métodos de medición de humedad que permiten la determinación de la humedad absoluta pueden servir como referencias de humedad, y los gases con niveles de humedad conocidos también pueden servir como referencias de humedad. La norma "Determinación de partículas y métodos de muestreo de contaminantes gaseosos emitidos por gases de escape de fuentes estacionarias" (GB/T 16157-1996) especifica tres métodos para medir la humedad de los gases de combustión: el método de bulbo húmedo-seco, el método de condensación y el método gravimétrico. Estos tres métodos, que sirven como métodos de referencia para la detección de la humedad de los gases de combustión, pueden utilizarse para calibrar los medidores de humedad de gases de combustión. Además, los generadores de humedad pueden producir gas húmedo constante bajo condiciones específicas de temperatura y presión, y también pueden utilizarse para calibrar los medidores de humedad de gases de combustión. Con el avance de la tecnología y el creciente énfasis del país en la protección del medio ambiente, actualmente existen cuatro métodos principales para la medición en línea de la humedad de los gases de combustión a alta temperatura en China: el método de inyección de flujo constante (bulbo húmedo-seco), el método de resistencia-capacitancia, el método de flujo de iones basado en zirconia (corriente límite) y el método de absorción espectral infrarroja.
Introducción a los métodos de medición de la humedad de los gases de combustión
>> Método del bulbo húmedo-seco
El método de bulbo húmedo y seco mide la humedad relativa del aire basándose en el efecto de diferencia entre las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco. Las moléculas de agua se evaporan de la superficie del bulbo húmedo en vapor de agua, que necesita absorber el calor latente de vaporización. La evaporación continua sigue absorbiendo calor de la superficie y enfría el bulbo húmedo. El grado de enfriamiento está determinado por la humedad relativa del aire circundante, la presión atmosférica y la velocidad del viento. Si la presión atmosférica y la velocidad del viento permanecen constantes, cuanto mayor sea la humedad relativa, menor será la tasa de evaporación del agua de la superficie del bulbo húmedo y menor será la temperatura superficial del bulbo húmedo, que es la diferencia entre la temperatura del bulbo húmedo y la del bulbo seco; por el contrario, cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco. En consecuencia, midiendo la diferencia entre las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco y determinando la relación entre la humedad relativa y esta diferencia de temperatura, se puede calcular la humedad relativa [2,3
>> Principio de medición de la humedad mediante el método del bulbo húmedo y seco
Según los principios de transferencia de calor y humedad, cuando se alcanza el equilibrio térmico y de humedad, la cantidad de calor transferido Q1 del aire al bulbo húmedo es igual al calor latente Q2 requerido para la evaporación de la humedad de la gasa, es decir: Q1 = Q2 (1)
Basado en el principio de transferencia de calor: Q1=α（t-tw）F (2)
En la fórmula: α es el coeficiente de intercambio de calor entre el aire y la superficie del agua de bulbo húmedo, W/m2 ·℃; t es la temperatura de bulbo seco, °C; tw es la temperatura de bulbo húmedo, °C; F es el área de la superficie de bulbo húmedo, m².
Según el principio de transferencia de humedad y la ley de evaporación de Dalton, la masa de agua evaporada es directamente proporcional al déficit de saturación de vapor del aire circundante y al área de evaporación, e inversamente proporcional a la presión atmosférica en ese momento. Por lo tanto, la tasa de intercambio de humedad[4] se puede expresar como:
En la fórmula: W es la tasa de intercambio de humedad, kg/s; r es el calor latente de vaporización, J/kg; β es el coeficiente de intercambio de humedad, kg/(m²·s·Pa); F es el área superficial de bulbo húmedo, m²; B es la presión atmosférica real, Pa; P´q,b es la presión parcial del vapor de agua saturado a la temperatura de bulbo húmedo, Pa; Pq es la presión parcial del vapor de agua en el aire, Pa.
Derivado de las fórmulas (1), (2) y (3):
En la fórmula: el coeficiente del psicrómetro
Por lo tanto, la humedad relativa es:
El método de bulbo seco-húmedo utilizado para monitorear los gases de combustión de fuentes contaminantes generalmente emplea dos termopares idénticos como elementos sensores de temperatura, uno para medir la temperatura de bulbo seco y el otro para la de bulbo húmedo. El elemento sensor para la temperatura de bulbo seco se coloca dentro del flujo principal de gases de combustión, mientras que el elemento sensor para la temperatura de bulbo húmedo se envuelve con una gasa de algodón conectada a un recipiente con agua. El bulbo húmedo y los gases de combustión circundantes se tratan como un solo sistema, sin considerar la conducción de calor por radiación. Un dispositivo automático de medición del contenido de humedad, basado en el principio de bulbo seco-húmedo, utiliza un microprocesador para controlar sensores que miden y registran parámetros como las temperaturas superficiales de bulbo húmedo y bulbo seco, así como la presión a través de la superficie de bulbo húmedo y la presión estática de escape. Deriva la presión de vapor de agua saturado a la temperatura superficial de bulbo húmedo y, combinada con la presión atmosférica de entrada, calcula automáticamente el contenido de humedad de los gases de combustión utilizando la fórmula.
1-Flujo;
2-Termómetro de bulbo seco;
3-Termómetro de bulbo húmedo;
4-Tubo de muestreo aislado;
5-Manómetro de vacío;
6-Rotámetro;
7-Bomba de succión de aire
>> Método de chorro de flujo constante
Método de inyección de flujo constante (bulbo húmedo-seco). Principio básico de la medición de humedad por bulbo húmedo-seco: un sensor de temperatura (5) mide la temperatura de los gases de combustión como temperatura de bulbo seco, y una celda de medición (3) se llena con una cierta cantidad de agua. El agua del depósito (1) se suministra continuamente a la celda de medición mediante una bomba de manguera (2). El nivel de agua en la celda de medición se monitoriza mediante un sensor, y la presión dentro de la celda también se detecta mediante otro sensor para garantizar la precisión de la medición y monitorizar el líquido. Un sensor de temperatura (6) se instala dentro de la celda de medición y debe colocarse debajo de la superficie del agua. A continuación, los gases de combustión se inyectan continuamente a un caudal constante directamente sobre la superficie del agua en la celda de medición, y la temperatura detectada se toma como temperatura de bulbo húmedo (véase la figura 2). Basándose en los principios de transferencia de calor y termodinámica, se puede deducir la siguiente fórmula matemática:
En la fórmula
U—Humedad relativa %;
etw—Presión de vapor de agua saturado a temperatura de bulbo húmedo;
et—Presión de vapor de agua saturado a temperatura de bulbo seco;
P—Presión atmosférica;
∆t—Diferencia de temperatura entre el bulbo seco y el bulbo húmedo;
A—Constante relacionada con la velocidad del viento.
Higrómetro de alta temperatura con chorro de flujo constante de Chang Ai
El higrómetro CI-PC39 de Chang Ai se ha aplicado con éxito en procesos de medición a altas temperaturas y humedades, así como en procesos que involucran gases corrosivos y con partículas de polvo. En muchos procesos industriales, es necesario monitorear y controlar la humedad del gas de proceso para garantizar la calidad del producto, optimizar la eficiencia energética o cumplir con los objetivos de reducción de emisiones. El CI-PC39 es un higrómetro de proceso diseñado para los requisitos de aplicación industrial más exigentes, incluyendo la medición de humedad en medios agresivos con resistencia a la corrosión (como plantas de incineración de residuos, ácido sulfúrico, ácido fluorhídrico o agua regia). Ofrece datos de medición precisos y confiables, un amplio rango de adaptabilidad a la temperatura, bajo mantenimiento y una larga vida útil. Sus desventajas incluyen un precio elevado, un tamaño considerable y la necesidad de rellenar el agua periódicamente.
Según la fórmula matemática anterior, podemos observar claramente que el método de inyección a corriente constante para medir la humedad en los gases de combustión se logra mediante la medición indirecta de la temperatura de dichos gases. Su producto representativo se muestra en la Figura (3).
La tecnología de medición de temperatura es relativamente madura y fiable. Incluso en condiciones de trabajo extremadamente adversas, el reemplazo in situ de los sensores de temperatura se puede realizar fácilmente. Si bien el método de chorro de flujo constante es el principio de funcionamiento del termómetro de bulbo húmedo-seco, no es similar a los higrómetros que suelen utilizar los servicios meteorológicos para medir la humedad relativa del aire. Este higrómetro ha logrado los resultados de medición mencionados mediante un diseño innovador, completamente nuevo e incluso revolucionario.
Método de condensación
El principio del método de condensación es el siguiente: se extrae un cierto volumen de gases de escape de la chimenea y se hace pasar por un condensador. El contenido de humedad en los gases de escape se calcula sumando la cantidad de agua condensada y la cantidad de vapor de agua contenida en el gas saturado que sale del condensador.
● Condensador, véase la figura (1)
● Dispositivo de muestreo de polvo de chimenea: Consta de un muestreador de polvo de chimenea (capaz de medir tr, tv, Pr, Qrw, ajuste de tiempo n y función de secado de gases), tubo de muestreo y bomba de aire.
>> Procedimientos de detección
● Conecte el condensador a la tubería de agua fría o colóquelo directamente en agua con hielo, luego conecte todo el sistema como se muestra en la Figura 2 y verifique que no haya fugas de gas en todo el sistema;
● Método de inspección de fugas de gas: bloquee el tubo de goma entre el tubo de muestreo y el condensador, y luego encienda la bomba de aire. Cuando la presión negativa indicada por el manómetro antes del caudalímetro alcance los 6,6 kPa (50 mmHg), selle el tubo de goma entre el caudalímetro y la bomba de aire y detenga el bombeo. Si el indicador del manómetro no desciende más de 0,2 kPa (1,5 mmHg) en 1 minuto, el sistema es hermético.
Figura (2) Sistema de medición y muestreo de humedad
Cálculo
El porcentaje volumétrico de vapor de agua en los gases de combustión se calculará según la siguiente fórmula:
En la fórmula:
Cantidad de agua condensada en el condensador, g;
Volumen muestreado de gases de combustión (en las condiciones de medición), L;
Presión de vapor saturado del gas después de pasar por el condensador, Pa; este valor se puede obtener de la tabla adjunta según la temperatura de saturación tv del gas a la salida del condensador;
Constante de los gases del vapor de agua
En la fórmula, Vs representa el caudal real en las condiciones de medición. Cuando se utiliza un rotámetro para medir el volumen de gas muestreado, la lectura del rotámetro Qrw durante el muestreo debe corregirse al caudal real Qr en las condiciones de medición y luego multiplicarse por el tiempo de muestreo para obtener el volumen de gas muestreado Vs en las condiciones de medición, es decir,
