Humedad de los gases de combustión con fuente de contaminación fija

En el monitoreo convencional de emisiones de gases de combustión, la humedad de los gases de combustión es un parámetro importante, y también el más difícil de medir con precisión. La medición de la humedad se ve afectada por otros factores (presión atmosférica, temperatura), y también debe afrontar altas temperaturas, niveles elevados de polvo, humedad, presión negativa y problemas de corrosión.

Además, la calibración de la humedad es un problema complejo. Esto se debe a la dificultad de fabricar generadores de humedad de alta temperatura, lo que afecta la medición de la humedad en el instrumento de medición en línea. Para verificar y calibrar el instrumento de medición de humedad de gases de combustión, se requiere un dispositivo capaz de generar una fuente y un estándar de humedad. Un método de medición de humedad capaz de realizar mediciones absolutas de humedad puede utilizarse como referencia de humedad. Los gases con humedad conocida también pueden utilizarse como referencias de humedad. La norma "Método de muestreo de partículas y contaminantes gaseosos en los gases de escape de fuentes fijas de contaminación" (GB/T16157-1996) prescribe tres tipos de métodos de medición de la humedad de los gases de combustión: el método de condensación, el método de peso y el método de bola seca-húmeda. Estos métodos se utilizan como método de referencia para la medición de la humedad de los gases de combustión y pueden utilizarse para calibrar el instrumento de medición de humedad de gases de combustión. Además, el generador de humedad genera humedad constante a una temperatura y presión determinadas, y también puede utilizarse para calibrar el medidor de humedad de gases de combustión.

1. Introducción al método de medición de la humedad de los gases de combustión

Método de bola seca-húmeda

Los tres métodos de referencia de humedad de la norma GB/T16157-1996 no son ideales en la práctica. El método de peso y el método de condensación son complejos, las condiciones de prueba son exigentes y el tiempo de prueba es prolongado. El método de bola seca-húmeda es simple, pero el error es elevado.

El principal problema de medir la humedad de los gases de combustión mediante el método de bola seca-húmeda es que la temperatura de los gases de combustión es alta, a menudo superior a 100 °C, pero la temperatura de la bola seca no puede alcanzar la temperatura real de los gases de combustión.

La temperatura suele estar entre la temperatura ambiente y la temperatura de los gases de combustión, lo que resulta en un error de medición fijo. Zong Ningsheng considera que, al medir la humedad de los gases de combustión mediante el método de bola seca-húmeda, se deben tener en cuenta las siguientes operaciones: cuando el indicador de temperatura se estabilice y deje de subir, se pueden realizar las lecturas (5-10 min). La tubería de conexión entre el tubo de muestreo y los termómetros seco y húmedo es más corta, y la pared del tubo no debe ser delgada, para evitar una caída excesiva de la temperatura de los gases de combustión. En climas fríos, se deben utilizar tubos de muestreo con calefacción.

Chang-Ai mejoró el termómetro de esfera seca-húmeda y el tubo de muestreo de gases de combustión calentado para evitar los errores de los gases de combustión que alcanzan el punto de rocío y la condensación de vapor en el tubo de muestreo.

Figura 1CI-PC39 Esquema

Según la temperatura real de los gases de combustión en el punto de medición, al modificar la temperatura de calentamiento del tubo de muestreo, se evita la diferencia entre la temperatura de los gases de combustión que entran en la cámara de bulbo seco-húmedo y la temperatura de los gases de combustión en el punto de muestreo. Se investigó la precisión y la estabilidad del higrómetro de bulbo seco-húmedo de fabricación propia mediante el método estándar de bulbo seco-húmedo y el método de peso. Los resultados muestran que los datos de humedad medidos por el higrómetro son fiables y eficaces, con una respuesta sensible a los cambios de humedad de los gases de combustión y un funcionamiento continuo y estable. Si bien el método de chorro de impacto es el principio de funcionamiento del bulbo seco-húmedo, no se trata de un instrumento de humedad común, similar al que utiliza el departamento meteorológico para medir la humedad relativa del aire. Este instrumento de humedad presenta un diseño completamente nuevo, incluso innovador, que permite obtener los resultados de medición mencionados. Su figura representativa se muestra en la Figura 1.

La ingeniería de medición de Chang-Ai se ha aplicado con éxito a procesos de medición de alta temperatura y humedad, así como a procesos con gases corrosivos y polvorientos. En muchos procesos, para garantizar la calidad del producto, el uso eficiente de la energía o la reducción de emisiones, es necesario monitorizar y controlar la humedad de los gases de proceso. El CI-PC39 es un medidor de humedad de proceso que cumple con los requisitos industriales más exigentes, incluyendo resistencia a la corrosión, funcionamiento continuo e insensibilidad a las incrustaciones.

Método de condensación

El principio del método de condensación es que se extrae un cierto volumen de gas de escape del conducto de humos para pasar a través del condensador, y el contenido de agua en el gas de escape se calcula de acuerdo con la cantidad de agua condensada y el contenido de vapor de agua del gas saturado descargado del condensador. El principio del método de peso es que se extrae un cierto volumen de gas de escape del conducto de humos para que la humedad en el gas de escape sea absorbida por el tubo de absorción de humedad por el agente de absorción de humedad a través del tubo de absorción de humedad lleno de agente de absorción de humedad. El peso del tubo de absorción de humedad en el gas de escape es el componente de agua contenido en el volumen conocido de gas de escape. Los dos métodos son similares en principio. La concentración másica de la humedad del gas de escape se obtiene directamente pesando el contenido de humedad y dividiendo el volumen de muestra, y luego la concentración másica se convierte en el porcentaje de volumen.

El método de bola seca-húmeda es fácil de usar y muy adaptable. Es un método de referencia común para la medición en línea de la humedad de los gases de combustión. El método de condensación y el método de peso ofrecen mayor precisión, pero la prueba es compleja, requiere mucha intervención del personal y requiere un tiempo de prueba prolongado. Este método no es adecuado para la medición en línea de la humedad de los gases de combustión, por lo que solo puede utilizarse como método de laboratorio y como método de medición en línea para pruebas comparativas.

Método de inhibición

Cuando se coloca una sustancia entre un par de electrodos, la capacitancia entre ellos cambia al absorber vapor de agua. El contenido de humedad de los gases de combustión se puede obtener midiendo la variación de la capacitancia del material absorbente de humedad, lo que se denomina sensor de humedad capacitivo. El instrumento de humedad capacitivo tradicional presenta algunos problemas en cuanto a la sensibilidad del sensor, la histéresis de humedad, el coeficiente de temperatura y la estabilidad a largo plazo.

La invención se refiere a un medidor de humedad de gases de combustión en línea, resistente al volumen y de alta temperatura, de un producto patentado. Este medidor de humedad, mejorado por método de capacitancia, presenta buena resistencia a la corrosión y alta sensibilidad. Utiliza un sensor de humedad de capacitancia de película de polímero.

Como sensor de humedad, se utiliza un sensor de temperatura de resistencia de platino para la compensación de temperatura. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 1: el vapor de agua pasa a través del electrodo superior del sensor de humedad de capacitancia de película de alto peso molecular y alcanza la película de polímero activo de alto peso molecular. Gracias a su pequeño tamaño y al espesor de la película de polímero, el sensor puede responder rápidamente a los cambios de humedad del entorno.

Figura 2 Diagrama de bloques del principio de funcionamiento del medidor de agua con resistencia y capacidad

El vapor de agua absorbido en el polímero modifica las características dieléctricas y la capacitancia del sensor, convierte la señal de salida del sensor capacitivo de humedad en un valor de voltaje y emite una señal de voltaje de temperatura a través del sensor de temperatura para realizar la compensación automática de temperatura. El medidor de humedad puede medir el contenido de agua en un rango de 0~20% ±2% con una temperatura de humo ≤180 °C.

En los últimos años, se ha investigado mucho para encontrar mejores medios de detección de humedad. Entre ellos, los materiales poliméricos orgánicos han atraído mucha atención debido a su alta sensibilidad, rápida respuesta y baja histéresis de humedad. Existen dos tipos principales de materiales sensibles a la humedad: la serie CAB (acetato butirato de celulosa) y la serie P (poliimida).

El sensor de humedad capacitivo de polímero orgánico se fabricaba originalmente con acetato de celulosa y sus derivados. Actualmente, el acetato de celulosa es el material más utilizado. Japan Sakai ha comparado las propiedades de diversos derivados de celulosa y estudiado las propiedades de capacitancia, temperatura e isotermas de absorción. Los resultados muestran que, para fabricar un sensor de humedad no higroscópico, es necesario limitar la cantidad de agua y evitar la interacción entre moléculas. Se propone que el acetato de celulosa, especialmente el elemento de electrodo de oro poroso, no solo presenta una alta velocidad de respuesta, sino que también presenta una baja histéresis higroscópica.

Matsuguchi propuso la síntesis de polímeros de baja densidad con grupos acetileno en ambos extremos de la poliimida. En este estado, la solución se disuelve y la película se recubre sobre el sustrato para formar una película. Tras calentar, se obtiene una poliimida con una estructura estereoenlazante, difícil de disolver en agua. Dado que el material no se separa del agua al solidificarse y es difícil que se formen microagujeros en la película endurecida, es un material sensible a la humedad con buena resistencia al agua. Los resultados muestran que el elemento sensible a la humedad de la poliimida modificada presenta una alta velocidad de respuesta y una histéresis prácticamente nula. El coeficiente de temperatura es bajo, la resistencia a los disolventes (acetona) también es buena y la estabilidad se ha mejorado considerablemente.

Chen Xingzhu propuso un nuevo tipo de sensor de humedad capacitivo de película dieléctrica compuesta. Su película dieléctrica está compuesta por dos tipos de PI(CAB) con diferentes características de salida lineal y temperatura. En comparación con los materiales individuales de PI y CAB, el material compuesto presenta una histéresis baja, un error no lineal bajo y un coeficiente de temperatura bajo, además de una mejora significativa en la repetibilidad y la estabilidad a largo plazo. Esto aporta una nueva idea para el diseño funcional del material dieléctrico del sensor de humedad capacitivo. Su figura representativa se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Perfil del sensor de punto de rocío CI-XS200

Las principales ventajas del método capacitivo son su alta sensibilidad, respuesta rápida, fácil fabricación y fácil miniaturización e integración. Actualmente, el medidor de humedad en línea para gases de combustión en China tiene numerosas aplicaciones, pero su estabilidad a largo plazo no es ideal, y su uso prolongado suele conllevar derivas graves, causando fallos y daños. El sensor de humedad capacitivo presenta menor resistencia a la corrosión, lo que a menudo requiere una mayor limpieza ambiental. Algunos productos aún presentan fenómenos como fallos de iluminación y fallos electrostáticos. En resumen, este método se encuentra en constante mejora.

Método de límite de corriente

Según un estudio teórico exhaustivo, realizado mediante numerosos experimentos, el uso de un sensor de flujo iónico permite medir la humedad con precisión. Al variar el voltaje aplicado al cátodo y al ánodo del sensor, se puede medir la humedad. Este hallazgo soluciona el problema de que un sensor de humedad convencional no se adapte a entornos de alta temperatura (por ejemplo, superiores a 100 °C).

Se aplica un voltaje de operación al ánodo y al cátodo de la zirconia para proporcionar un campo eléctrico que impulse los iones de oxígeno desde el cátodo para formar una corriente de iones de oxígeno a través de la zirconia hacia el ánodo. Cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera medida es segura, el valor de corriente del sensor de zirconia no aumenta con el aumento del voltaje aplicado, alcanzando un valor constante, este valor de corriente constante se denomina valor de corriente límite de la concentración de oxígeno, que llamamos el primer valor de corriente límite. Según el principio de funcionamiento, cuando la atmósfera medida contiene vapor de agua, al aumentar el voltaje aplicado, el vapor de agua también se ioniza en iones de oxígeno, y cuando la concentración de vapor de agua en la atmósfera medida es fija, el sensor de zirconia emite un valor de corriente constante, que se denomina el segundo valor de corriente límite.

Figura 4 Relación entre la corriente límite y el voltaje aplicado

Figura 5 Diagrama de curva de la corriente límite de salida del sensor bajo vapor de agua

La reacción en el cátodo y el ánodo del sensor es la siguiente:

Lado del cátodo: O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Lado del ánodo: O2- → 1/2O2+2e- (6)

De acuerdo con la regla de Ficks del límite de difusión de gas del sensor, la primera corriente límite I1 y la segunda corriente límite I2 están representadas respectivamente por la siguiente fórmula bajo la condición de que el coeficiente de difusión del oxígeno sea igual al coeficiente de difusión del vapor de agua:

I1={-4FDSP/(RTL)}Ln(1-PO2/P) (7)

I2={-4FDSP/(RTL)}{(1+PH2O/2PO2)} (8)

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

En la fórmula: F es la constante de Faraday, D es el coeficiente de difusión de la molécula de gas mixto, S es el área del orificio de difusión, P es la presión total del gas mixto, la presión parcial de PO2, la presión parcial del vapor de agua de PH2O, R es la constante del gas, T es la temperatura absoluta, L es la longitud del orificio de difusión del gas, 0,21 es el contenido de oxígeno en el aire.

El rango de aplicación de la medición de humedad por corriente iónica es:

Chang Ai Co., Ltd., en colaboración con el Dr. Zhang Yi Can (chino, pionero en introducir el sensor de zirconio de corriente extrema en China) y su equipo, Yang Bang Chao, director del Instituto de Microelectrónica y Materiales Sólidos de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Chengdu, fue pionero en la aplicación de sensores de corriente iónica para la medición de alta temperatura y humedad. En 2006, la compañía presentó por primera vez el instrumento de alta temperatura y humedad GRL-12, basado en un sensor de flujo iónico (Figura 5). Antes de las Olimpiadas Verdes de 2008, numerosas aplicaciones en plantas de coquización de Shanxi y en el monitoreo de emisiones de centrales térmicas, con fines de protección y monitoreo ambiental, han convertido a esta empresa en una empresa nacional gracias a su compromiso y contribución. En el desarrollo de más de diez años, Chang'ai Company ha desarrollado una gran cantidad de instrumentos de análisis de humedad basados ​​en sensores de flujo de iones, como el transmisor de humedad de la serie CI-PC18, el monitor de humedad del suelo CI-PC19, el analizador de humedad de alta temperatura de la serie CI-PC168, el sistema de detección de humedad de la industria alimentaria CI-PC193, el sistema de análisis de humedad de alta temperatura de la serie CI-PC196, que representa la figura del producto, consulte la Figura 6.

Figura 6 Perfil del higrómetro de alta temperatura CI-PC18

Estructura del sensor:

Figura 6 Estructura del sensor de humedad de flujo de iones 3D

Estos productos son ampliamente utilizados en los campos de protección del medio ambiente, impresión y teñido, madera, materiales de construcción, industria papelera, industria química, fibra y farmacia, así como en la industria de procesamiento y almacenamiento de alimentos, tabaco, verduras y cereales.

Método de oxígeno seco-húmedo

El sensor de oxígeno del sistema CEMS se utiliza para medir el contenido de oxígeno antes y después de la deshumidificación de los gases de combustión. Al calcular el contenido de humedad de los gases de combustión, se utiliza la siguiente fórmula:

Xsw=1-X,O2/XO2 (1)

En la fórmula (1), X y O2 son el porcentaje de volumen de oxígeno en el gas de combustión húmedo, %, y Xo2 son el porcentaje de volumen de oxígeno en el gas de combustión seco, %.

El principal problema del oxígeno seco y húmedo reside en que se requieren dos instrumentos para medirlo, respectivamente. El error causado por la diferencia en los puntos de muestreo y los errores de muestreo es el siguiente: el error de ambos instrumentos se superpone. Estos errores son difíciles de corregir con este método.

Absorción infrarroja

La espectroscopia de absorción es una técnica importante en la medición moderna de la humedad, incluyendo la absorción infrarroja y ultravioleta. Actualmente, la tecnología de medición basada en el espectro de absorción del infrarrojo cercano ha alcanzado un mayor nivel de madurez, y su precisión, sensibilidad y rango de medición son superiores a los del método tradicional de análisis de humedad.

El método de absorción infrarroja se basa en el principio de que el agua absorbe fuertemente la luz infrarroja con una longitud de onda específica. El contenido de agua varía, lo que influye en el grado de absorción de la luz y obedece la ley de Lambert-Beer. Al medir la transmitancia del gas a la longitud de onda de absorción y a la longitud de onda de referencia, la relación entre la transmitancia de ambas longitudes de onda es función del contenido de vapor de agua en el gas. Wan Jia Rong ha descubierto que las longitudes de onda de absorción más utilizadas son 1,45 μm y 1,94 μm, y las longitudes de onda de referencia más utilizadas son 1,73 μm y 2,1 μm.

Existen dos tipos de métodos de medición de humedad basados ​​en la espectroscopia de absorción en el infrarrojo cercano: la espectroscopia de atenuación resonante de diodo láser (CRDS) y la espectroscopia de absorción de diodo láser sintonizable (TLDAS). El resonador CRDS tiene una estructura simple y un tamaño reducido, lo que garantiza una rápida sustitución del gas, lo que lo hace ideal para la medición en línea. La TDLAS es una tecnología de medición del espectro de absorción relativamente consolidada, utilizada en el campo de la micromedición de humedad, y ofrece ventajas como alta sensibilidad y rápida respuesta.

Sin embargo, el método de absorción infrarroja utilizado en la medición de la humedad de los gases de combustión debe evitar la interferencia de la longitud de onda sensible al CO2/SO2/NOX, lo cual es difícil, junto con el alto precio del instrumento, por lo que rara vez se utiliza en la medición de la humedad de los gases de combustión.

Generador de humedad de alta temperatura

Debido a que la temperatura de los gases de combustión suele ser más alta, rondando los 80 °C a 120 °C, mientras que un generador de humedad convencional genera una humedad constante a temperatura normal, incluso si esta se produce a alta temperatura, es difícil garantizar que se mantenga constante durante su uso. A menudo, resulta difícil cumplir con los requisitos si se utiliza un generador de humedad a temperatura normal para calibrar el medidor de humedad de gases de combustión a alta temperatura, lo que limita considerablemente la investigación y la aplicación de la medición de humedad a alta temperatura. En particular, el sensor de humedad capacitivo es sensible a la temperatura, además de a la humedad ambiental, y es propenso a la deriva térmica, por lo que es necesario desarrollar un generador de humedad a alta temperatura.

El generador de humedad de alta temperatura puede producir humedad estable a altas temperaturas. Es un dispositivo de calibración práctico e intuitivo para instrumentos de medición de humedad de gases de combustión. Zhang Wen Dong desarrolló un generador de humedad de precisión de alta temperatura mediante el principio del método de doble temperatura y doble presión. Los experimentos de estabilidad de temperatura se realizaron a 50 °C, 100 °C y 150 °C, con una duración de 2 horas. Los resultados de las pruebas de estabilidad de temperatura del tanque de aceite saturador y la cámara de prueba se mantuvieron dentro de 0,02 °C. La incertidumbre teórica máxima del dispositivo es de ±1,09 HR. La precisión del dispositivo se verifica mediante los resultados de las pruebas del higrómetro de peso. El dispositivo puede utilizarse para corregir sensores y transmisores de humedad de alta temperatura.

2. Resumen

La medición de la humedad de los gases de combustión es un problema reconocido. El método de bola seca-húmeda, como método de referencia estipulado en la norma nacional, es propenso a errores. El método de condensación y el método de peso ofrecen alta precisión, pero su funcionamiento es complejo y solo se pueden utilizar como métodos de laboratorio. El método de medición en línea de la humedad de los gases de combustión utilizado en los sistemas CEMS de China es el método de capacitancia y el método de corriente límite. Ambos métodos pertenecen a sensores electrónicos de humedad. Si bien sus posibilidades de aplicación son amplias, es necesario mejorar la anticontaminación y la estabilidad a largo plazo. Sin embargo, el método de oxígeno seco-húmedo presenta un alto margen de error y el método de absorción infrarroja es costoso, por lo que se utiliza con menos frecuencia. El generador de humedad a temperatura normal también presenta dificultades para cumplir con los requisitos de calibración de los instrumentos de humedad de los gases de combustión. El desarrollo de generadores de alta temperatura y humedad es necesario y también un problema técnico.