Aplicaciones de la tecnología de monitorización en línea para la humedad de los gases de combustión -2
Flujo de iones (circonia)
Tras una exhaustiva investigación teórica y numerosos experimentos, se ha comprobado que los sensores de flujo iónico permiten medir la humedad con precisión. Esta medición se logra ajustando el voltaje aplicado al cátodo y al ánodo del sensor. Este descubrimiento resuelve el problema de que los sensores de humedad convencionales no funcionan eficazmente en entornos de alta temperatura (como aquellos superiores a 100 °C).
Los electrodos de platino están recubiertos en ambos lados de ZrO2 estabilizado. El lado del cátodo se ensambla con una cubierta provista de orificios de difusión de gas para formar una cavidad catódica. A una temperatura determinada, se aplica un voltaje de operación específico entre el ánodo y el cátodo de ZrO2. Las moléculas de oxígeno dentro de la cavidad captan electrones en el cátodo para formar iones de oxígeno (O2-). Los O2- migran al ánodo a través de vacantes de oxígeno en el ZrO2, liberan electrones y se convierten en moléculas de oxígeno que se descargan hacia el exterior. Este fenómeno se conoce como bomba electroquímica. De esta manera, el oxígeno en la cavidad del cátodo es bombeado continuamente hacia afuera por el electrolito de ZrO2, y los iones de oxígeno fluyen desde el cátodo a través del ZrO2 hacia el ánodo, formando una corriente de iones de oxígeno. Cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera medida es constante, la corriente de salida del sensor de zirconia ya no aumenta con el incremento del voltaje aplicado, sino que alcanza un valor constante. Este valor de corriente constante se denomina valor de corriente límite para esa concentración de oxígeno, al que llamamos primer valor de corriente límite (como se muestra en la Figura 1-A). Según este principio de funcionamiento, cuando la atmósfera medida contiene vapor de agua, al aumentar la tensión de funcionamiento aplicada, el vapor de agua se ioniza en iones de oxígeno. Del mismo modo, cuando la concentración de vapor de agua en la atmósfera medida es constante, el sensor de zirconia emite un valor de corriente constante, al que denominamos segundo valor de corriente límite (como se muestra en la Figura 1-B). El valor de corriente de la primera etapa I1 y el valor de corriente de la segunda etapa I2 son proporcionales, respectivamente, a la presión parcial de oxígeno y a la presión parcial de oxígeno en la atmósfera que contiene vapor de agua.
Las reacciones en el cátodo y el ánodo del sensor son las siguientes:
Figura (2) Principio del flujo de iones
De acuerdo con la ley de Fick restringida por los orificios de difusión de gas del sensor, suponiendo que el coeficiente de difusión del oxígeno es igual al del vapor de agua, la primera corriente límite I1 y la segunda corriente límite I2 se expresan respectivamente mediante las siguientes fórmulas:
En la fórmula:
F es la constante de Faraday, S es el área de los agujeros de difusión.
D es el coeficiente de difusión de las moléculas de la mezcla de gases. P es la presión total de la mezcla de gases.
PO2 es la presión parcial de oxígeno PH2O es la presión parcial de vapor de agua
R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta.
L es la longitud de los orificios de difusión de gas. 0,21 es el contenido de oxígeno en el aire.
La curva de relación entre el valor de la corriente límite iónica y la concentración de oxígeno se muestra en la Figura (3):
El contenido de oxígeno en los gases de combustión se puede calcular a partir de la primera corriente límite, mientras que la humedad se calcula a partir de la diferencia entre la primera y la segunda corriente límite. Por lo tanto, los medidores de humedad que utilizan el principio de corriente límite de zirconia presentan una clara ventaja sobre los que emplean otros principios. Dado que su función principal es la detección de oxígeno y la medición de oxígeno es un requisito previo para la prueba de humedad, los usuarios no necesitan instalar un analizador de oxígeno independiente. Un solo medidor de humedad puede proporcionar ambos conjuntos de datos de medición simultáneamente.
>> Analizador de humedad por flujo iónico 3D de tipo succión
En China, varias empresas fabrican analizadores de humedad y temperatura de alta temperatura por succión. Aquí presentamos, a modo de ejemplo, los productos de Chang Ai.
Para mitigar el impacto de las atmósferas corrosivas en los electrodos de los sensores, Chang Ai ha mejorado los materiales de los electrodos catalíticos de circonia-platino y ha adoptado un nuevo material electrolítico mediante tecnología de síntesis nanoquímica. Este método aborda la corrosión de los electrodos y su corta vida útil en gases de combustión con alto contenido de SO2 procedentes de plantas de incineración de residuos, calcinación de minerales, fábricas de cerámica y centrales eléctricas. Además, partiendo de la base de los sensores de corriente limitante, Chang Ai ha realizado una audaz innovación al integrar simultáneamente dos sensores de oxígeno en un solo chip, resolviendo por completo el problema de que un único sensor de oxígeno no puede medir simultáneamente el oxígeno dinámico y el oxígeno húmedo electrolítico.
El dispositivo de flujo de iones 3D emplea una unidad de detección de flujo de iones dual. Una unidad mide el contenido de vapor de agua y oxígeno, mientras que la otra mide el contenido de oxígeno puro. Al aplicar diferentes voltajes para ionizar los iones de oxígeno y mezclarlos con vapor de agua, se puede obtener el contenido de iones de oxígeno y vapor de agua mediante la medición de corriente. Gracias a su alta resistencia a la temperatura y su rendimiento anticontaminación, este sensor puede operar de forma estable en entornos gaseosos adversos. Su principio y estructura se muestran en la Figura 4.
Figura (4) Estructura de un sensor de humedad por flujo de iones
El analizador de humedad por flujo iónico 3D CI-PC196 consta de una sonda de muestreo de alta temperatura y la unidad de control del instrumento (como se muestra en la Figura 5). La unidad de control admite funciones de retrolavado y calibración automáticas. La sonda está equipada con un sistema de calentamiento para evitar la condensación en su interior y su extremo cuenta con un filtro de acero inoxidable sinterizado o cerámica.
Figura (5) Medidor de humedad de alta temperatura CI-PC196
La sonda incluye un filtro primario insertado en el conducto de humos, un tubo de muestreo, una unidad de purga y un sensor ubicado en el extremo de temperatura normal fuera del conducto. Los gases de combustión a alta temperatura se extraen del conducto mediante una bomba eyectora accionada por aire comprimido. Los gases de combustión entran por la entrada del sensor y salen por la salida de aire. Al controlar la presión y el caudal del aire comprimido, se puede regular el caudal del gas aspirado. La sonda es un sensor de oxígeno de tipo corriente con un principio de funcionamiento diferente al de las sondas de circonia de concentración de inserción directa. En condiciones de alta temperatura, el material de circonia (ZrO2) se vuelve conductor debido a la migración de iones de oxígeno. Cuando la temperatura supera los 650 °C, los iones de oxígeno migran; a medida que aumenta la concentración de oxígeno, la corriente aumenta proporcionalmente con el aumento del flujo de iones.
En comparación con los sensores de humedad convencionales de polímero, electrolito y cerámica, este instrumento se distingue por su diseño estructural, métodos de prueba y principios de funcionamiento, ofreciendo así ventajas notables: presenta una excelente resistencia a la temperatura y a la corrosión (el sensor funciona a temperaturas superiores a 600 °C), lo que permite su uso en entornos de alta temperatura por encima de 200 °C. Mide el contenido de humedad según la cantidad de vapor de agua descompuesto bajo un voltaje de descomposición, lo que proporciona una selectividad superior. Además, este principio permite medir la humedad y la concentración de oxígeno de salida simultáneamente. Se utiliza ampliamente en la protección del medio ambiente, la impresión y el teñido, la madera, los materiales de construcción, la fabricación de papel, la industria química, la fibra y la farmacéutica, así como en el procesamiento y almacenamiento de alimentos, tabaco, verduras y cereales.
>> Método de oxígeno húmedo-seco
Cuando se utilizan sensores de oxígeno instalados en el sistema CEMS para medir el contenido de oxígeno de los gases de combustión antes y después de la deshumidificación, y calcular la humedad en los gases de combustión, la humedad de los gases de combustión se calcula utilizando la siguiente fórmula:
En la fórmula (1), X´O2 representa el porcentaje en volumen de oxígeno en el gas de combustión húmedo, %, y Xo2 representa el porcentaje en volumen de oxígeno en el gas de combustión seco, %.
Por ejemplo: Si la concentración de los gases de combustión húmedos es del 6,8 % de O2, y la lectura de los gases de combustión secos después de la deshumidificación es del 7,4 % de O2, sea Xsw el contenido de humedad de los gases de combustión, entonces
El principal problema del método de oxígeno seco-húmedo radica en que requiere dos instrumentos para medir el oxígeno seco y el oxígeno húmedo, respectivamente. Los errores resultantes incluyen errores de muestreo causados por puntos de muestreo inconsistentes, así como errores superpuestos derivados de la deriva de medición en ambos instrumentos. Estos errores son difíciles de corregir con este método.
Espectroscopia infrarroja
En la naturaleza, cada gas absorbe luz de longitudes de onda específicas. Cuando un haz de luz blanca (que contiene todos los componentes de longitud de onda) atraviesa el gas, la luz de salida se debilita o carece de dichos componentes. En espectroscopia, los componentes de una sustancia se pueden determinar según la composición de las líneas espectrales de absorción del gas. Analizando el grado de absorción de la luz en longitudes de onda específicas por las líneas espectrales de absorción de un gas determinado, podemos calcular su concentración.
Existen dos métodos principales para medir la humedad basados en la espectroscopia de absorción en el infrarrojo cercano: la espectroscopia de decaimiento de cavidad (CRDS) y la espectroscopia de absorción con diodo láser sintonizable (TDLAS). La espectroscopia de absorción infrarroja se basa en el principio de que la absorción selectiva de longitudes de onda infrarrojas específicas por las moléculas de vapor de agua varía con su concentración. Sin embargo, desde que Fowle propuso por primera vez la medición de la humedad por infrarrojos en 1912, el progreso en la medición de la humedad había sido lento debido a las limitaciones de las técnicas tradicionales de absorción infrarroja (absorción de banda ancha). El rápido desarrollo de la tecnología de espectroscopia láser semiconductora (TDLAS) en la década de 1990 facilitó la aparición de los actuales analizadores de humedad de gases de combustión a alta temperatura en línea. En comparación con la espectroscopia de absorción infrarroja tradicional, la TDLAS emplea absorción de banda estrecha, ya que el ancho espectral de la fuente láser semiconductora (menos de 0,0001 nm) es mucho menor que el ensanchamiento de las líneas de absorción del gas.
Cada molécula de gas posee su propio espectro de absorción inherente. La absorción se produce cuando el espectro de emisión de la fuente de luz coincide con el espectro de absorción de las moléculas de gas, y la intensidad de absorción se correlaciona con la fracción volumétrica del gas. Cuando un haz de láser semiconductor con una intensidad I0 atraviesa el gas que se va a medir, la luz se atenúa al pasar a través del gas si el espectro de la fuente de luz cubre el espectro de absorción de las moléculas de gas. Según la ley de Lambert-Beer, la relación entre la intensidad de la luz saliente I, la intensidad de la luz incidente I0 y la concentración volumétrica del gas se expresa de la siguiente manera:
En la fórmula:
I0: Intensidad de luz inicial;
I: Intensidad de luz residual después de la absorción por vapor de agua (H2O) en la muestra de gas;
S: Coeficiente de absorción del agua (H2O) para un láser a una longitud de onda específica;
L: Longitud del recorrido óptico;
N: Cantidad de moléculas de vapor de agua a lo largo de la trayectoria óptica, correlacionada con el contenido de vapor de agua en el gas de la muestra.
Por lo tanto, el contenido de agua en la muestra de gas se puede determinar midiendo la intensidad de la luz inicial y la intensidad de la luz después de la absorción. Debido a que la longitud de onda del láser seleccionada es específica, los resultados de la medición prácticamente no se ven afectados por otros gases. Además, el cálculo mediante la relación I/I0 permite eliminar eficazmente las influencias causadas por variaciones en la intensidad de la fuente de luz, la reflectividad del espejo y los parámetros eléctricos.
Para lograr una mayor sensibilidad de detección o mejorarla, y para reducir el ruido 1/f del láser, la tecnología TDLAS generalmente requiere el uso de detección espectral modulada. Esta técnica reduce significativamente el impacto del ruido del láser en las mediciones mediante modulación de alta frecuencia. Al mismo tiempo, al establecer una constante de tiempo grande para el detector sensible a la fase utilizado en la detección sensible a la fase (que detecta componentes armónicas), se puede obtener un filtro de paso de banda muy estrecho, comprimiendo así eficazmente el ancho de banda del ruido. Los analizadores de humedad de alta temperatura de gases de combustión desarrollados con tecnología TDLAS realizan mediciones sin contacto, eliminando la contaminación del sensor y la interferencia de los gases de fondo. Se caracterizan por un tiempo de respuesta rápido, alta precisión de medición, un ciclo de calibración prolongado y un funcionamiento prácticamente libre de mantenimiento, si bien su principal desventaja es el alto coste. Sin embargo, al utilizar el método de absorción infrarroja para la medición de la humedad de los gases de combustión, es necesario evitar la interferencia de longitudes de onda sensibles al CO2/SO2/NOX, lo que presenta ciertos desafíos. Junto con el alto coste del instrumento, este método se utiliza actualmente con poca frecuencia para la medición de la humedad de los gases de combustión.
Una comparación de varios principios
| Elementos de comparación | Método de chorro de flujo constante | Flujo de iones de doble celda | Método de zirconia | Método de resistencia-capacitancia | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Rango de medición | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Tiempo de respuesta | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Mostrar | Temperatura del punto de rocío: 20～100℃ | Concentración de oxígeno: 0–100% | Relación de volumen (H2O): 0–100% | Humedad relativa (HR%) | Humedad relativa (HR%) |
| Relación de volumen: 2～100% | Relación de volumen (H2O): 0–100% | Relación de volumen 0–100% | Relación de volumen 0–100% | ||
| Humedad absoluta: 15～1000 g/kg | |||||
| Presión de vapor de agua: 10～1000 hPa | |||||
| Valor mostrado | Valor absoluto | Valor absoluto | Valor absoluto | Valor relativo | Valor relativo |
| Temperatura | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Precisión | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Resistencia química | Resistente | Resistente | Moderado | No resistente | Resistente |
| Aplicabilidad | Cualquier mezcla de gases | Gases de combustión, mezclas de gases en general | Mezclas de aire y vapor de agua | Gases de combustión, mezclas de gases en general | Gases de combustión, mezclas de gases en general |
| Método de medición | Muestreo continuo | Muestreo in situ/continuo | In situ | Muestreo in situ/continuo | Muestreo in situ/continuo |
| Vida de servicio | 10 años | 1-2 años | 1-2 años | 0,6–2 años | ≥2 años |
| Calibración | No requiere calibración, no hay deriva. | Requerido (calibración de oxígeno) | Requerido (calibración de oxígeno) | No se ofrece calibración in situ (requiere un generador de humedad profesional). | No se ofrece calibración in situ (requiere un generador de humedad profesional). |
