کاربردهای فناوری پایش آنلاین رطوبت گاز دودکش
فناوری حسگر پیل سوختی
انتشار گازهای دودکش از مشعلهای مختلف، دیگهای بخار صنعتی و تجاری باعث آلودگی شدید جوی شده است. پایش گازهای سمی و مضر در گاز دودکش جنبه مهمی از تلاشهای حفاظت از محیط زیست است. سیستمهای پایش مداوم انتشار (CEMS) برای رفع این نیاز پدیدار شدهاند که عموماً آلایندههای گاز دودکش را بر اساس شرایط گاز دودکش خشک، کمّیسازی میکنند. با این وجود، گاز دودکش خروجی از صنایع، گاز خشک ایدهآلی نیست و همیشه حاوی مقداری رطوبت است. بنابراین، رطوبت گاز دودکش به یک پارامتر اندازهگیری ضروری در پایش منبع آلودگی گاز دودکش تبدیل شده است و دقت اندازهگیری آن مستقیماً بر محاسبه کل انتشار و غلظت آلایندهها و همچنین ارزیابی کارایی سیستم تصفیه گاز دودکش تأثیر میگذارد.
علاوه بر این، کالیبراسیون رطوبت نیز یک چالش مهم است. این به دلیل دشواری در تولید مولدهای رطوبت با دمای بالا است که بر قابلیت ردیابی مقادیر اندازهگیری از ابزارهای رطوبت آنلاین تأثیر میگذارد. برای تأیید و کالیبراسیون رطوبتسنجهای گاز دودکش، داشتن دستگاههایی که قادر به تولید منابع رطوبت استاندارد و همچنین معیارها و استانداردهای رطوبت باشند، ضروری است. روشهای اندازهگیری رطوبت که قادر به تعیین رطوبت مطلق هستند، میتوانند به عنوان معیار رطوبت عمل کنند و گازهایی با سطح رطوبت مشخص نیز میتوانند به عنوان معیار رطوبت عمل کنند. استاندارد "تعیین ذرات و روشهای نمونهبرداری از آلایندههای گازی ساطع شده از گاز خروجی منبع ثابت" (GB/T 16157-1996) سه روش برای اندازهگیری رطوبت گاز دودکش مشخص میکند: روش حباب تر-خشک، روش تراکم و روش وزنی. این سه روش که به عنوان روشهای مرجع برای تشخیص رطوبت گاز دودکش عمل میکنند، میتوانند برای کالیبراسیون رطوبتسنجهای گاز دودکش استفاده شوند. علاوه بر این، مولدهای رطوبت میتوانند گاز مرطوب ثابت را در شرایط دما و فشار خاص تولید کنند و همچنین میتوانند برای کالیبراسیون رطوبتسنجهای گاز دودکش استفاده شوند. با پیشرفت فناوری و تأکید روزافزون کشور بر حفاظت از محیط زیست، در حال حاضر چهار روش اصلی برای اندازهگیری آنلاین رطوبت گاز دودکش با دمای بالا در چین وجود دارد: روش تزریق جریان ثابت (لامپ تر-خشک)، روش مقاومت-خازن، روش جریان یون مبتنی بر زیرکونیا (جریان محدودکننده) و روش جذب طیفی مادون قرمز.
مقدمهای بر روشهای اندازهگیری رطوبت گاز دودکش
>> روش لامپ خشک-مرطوب
روش حباب تر و خشک، رطوبت نسبی هوا را بر اساس اثر اختلاف بین دمای حباب تر و حباب خشک اندازهگیری میکند. مولکولهای آب از سطح حباب تر به بخار آب تبخیر میشوند که نیاز به جذب گرمای نهان تبخیر دارند. تبخیر مداوم، گرما را از سطح جذب کرده و حباب تر را خنک میکند. درجه خنککنندگی توسط رطوبت نسبی هوای اطراف، فشار اتمسفر و سرعت باد تعیین میشود. اگر فشار اتمسفر و سرعت باد ثابت بمانند، هر چه رطوبت نسبی بالاتر باشد، میزان تبخیر آب از سطح حباب تر کمتر و دمای سطح حباب تر که همان اختلاف بین دمای حباب تر و دمای حباب خشک است، کمتر میشود. برعکس، هر چه اختلاف بین دمای حباب تر و دمای حباب خشک بیشتر باشد، رطوبت نسبی را میتوان محاسبه کرد [2,3
>> اصل اندازهگیری رطوبت به روش لامپ تر-خشک
طبق اصول انتقال حرارت و رطوبت، هنگامی که تعادل حرارتی و رطوبتی حاصل میشود، مقدار انتقال حرارت Q1 از هوا به حباب مرطوب برابر با گرمای نهان Q2 مورد نیاز برای تبخیر رطوبت از گاز است، یعنی: Q1 = Q2 (1)
بر اساس اصل انتقال حرارت: Q1=α(t-tw)F (2)
در فرمول: α ضریب تبادل حرارت بین هوا و سطح آب حباب تر، W/m2 ·℃؛ t دمای حباب خشک، °C؛ tw دمای حباب تر، °C؛ F مساحت سطح حباب تر، m² است.
طبق اصل انتقال رطوبت و قانون تبخیر دالتون، جرم آب تبخیر شده با کمبود اشباع بخار هوای اطراف و منطقه تبخیر نسبت مستقیم و با فشار اتمسفر در آن زمان نسبت معکوس دارد. بنابراین، نرخ تبادل رطوبت[4] را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
در فرمول: W نرخ تبادل رطوبت، kg/s؛ r گرمای نهان تبخیر، J/kg؛ β ضریب تبادل رطوبت، kg/(m²·s·Pa)؛ F مساحت سطح حباب مرطوب، m²؛ B فشار اتمسفر واقعی، Pa؛ P´q,b فشار جزئی بخار آب اشباع در دمای حباب مرطوب، Pa؛ Pq فشار جزئی بخار آب موجود در هوا، Pa است.
برگرفته از فرمول (1)، (2) و (3):
در فرمول: ضریب روانسنج
بنابراین، رطوبت نسبی برابر است با:
روش لامپ خشک-مرطوب که برای پایش گاز دودکش از منابع آلودگی استفاده میشود، عموماً از دو ترموکوپل یکسان به عنوان عناصر حسگر دما استفاده میکند، یکی برای اندازهگیری دمای خشک و دیگری برای دمای مرطوب. عنصر حسگر دمای خشک در جریان اصلی گاز دودکش قرار دارد، در حالی که عنصر حسگر دمای مرطوب با گاز پنبهای که به یک ظرف آب متصل است، پیچیده شده است. لامپ مرطوب و گاز دودکش اطراف آن به عنوان یک سیستم واحد در نظر گرفته میشوند، بدون در نظر گرفتن هدایت گرمای تابشی. یک دستگاه اندازهگیری خودکار رطوبت، بر اساس اصل لامپ خشک-مرطوب، از یک ریزپردازنده برای کنترل حسگرهایی استفاده میکند که پارامترهایی مانند دمای سطح لامپ مرطوب و لامپ خشک و همچنین فشار در سطح لامپ مرطوب و فشار استاتیک اگزوز را اندازهگیری و جمعآوری میکنند. این دستگاه فشار بخار آب اشباع شده را در دمای سطح لامپ مرطوب استخراج میکند و در ترکیب با فشار اتمسفر ورودی، به طور خودکار میزان رطوبت گاز دودکش را با استفاده از فرمول محاسبه میکند.
۱-دودکش؛
۲-دماسنج حباب خشک؛
۳- دماسنج حباب مرطوب؛
۴- لوله نمونهبرداری عایقدار؛
۵-فشارسنج خلاء؛
۶-روتامتر؛
۷- پمپ مکش هوا
>> روش جتینگ جریان ثابت
روش جت جریان ثابت (لامپ تر-خشک). اصل اساسی اندازهگیری رطوبت لامپ تر-خشک: یک حسگر دما (5) دمای گاز دودکش را به عنوان دمای لامپ خشک اندازهگیری میکند و یک سلول اندازهگیری (3) با مقدار مشخصی آب پر میشود. آب موجود در مخزن آب (1) به طور مداوم توسط یک پمپ شلنگی (2) به سلول اندازهگیری وارد میشود. سطح آب در سلول اندازهگیری توسط یک حسگر کنترل میشود و فشار درون سلول نیز توسط یک حسگر برای اطمینان از دقت اندازهگیری و نظارت بر مایع تشخیص داده میشود. یک حسگر دما (6) در داخل سلول اندازهگیری نصب شده است و باید در زیر سطح آب قرار گیرد. سپس گاز دودکش به طور مداوم با سرعت جریان ثابت مستقیماً بالای سطح آب در سلول اندازهگیری جت میشود و دمای تشخیص داده شده به عنوان دمای لامپ تر در نظر گرفته میشود (شکل 2 را ببینید). بر اساس اصول انتقال حرارت و ترمودینامیک، فرمول ریاضی زیر را میتوان استنباط کرد:
در فرمول
رطوبت نسبی U - درصد؛
etw - فشار بخار آب اشباع در دمای مرطوب؛
فشار بخار آب اشباع در دمای حباب خشک؛
فشار اتمسفری (P)
∆t—اختلاف دمای بین دمای خشک و دمای مرطوب؛
الف - ثابت مربوط به سرعت باد.
رطوبتسنج دمای بالای جتینگ جریان ثابت چانگ آی
دستگاه CI-PC39 شرکت چانگ آی با موفقیت در فرآیندهای اندازهگیری دما و رطوبت بالا و همچنین در فرآیندهایی که شامل گازهای خورنده و غبارآلود هستند، به کار گرفته شده است. در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، نظارت و کنترل رطوبت گاز فرآیند برای اطمینان از کیفیت محصول، بهینهسازی بهرهوری انرژی یا دستیابی به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانهای ضروری است. CI-PC39 یک رطوبتسنج فرآیندی است که برای دقیقترین الزامات کاربرد صنعتی، از جمله اندازهگیری رطوبت در محیطهای خشن با مقاومت در برابر خوردگی (مانند کارخانههای سوزاندن زباله، اسید سولفوریک، اسید هیدروفلوئوریک یا تیزاب سلطانی) طراحی شده است. این دستگاه دارای دادههای اندازهگیری دقیق و قابل اعتماد، طیف گستردهای از سازگاری دما، حجم کار تعمیر و نگهداری کم و عمر طولانی است. معایب آن شامل قیمت بالا، اندازه بزرگ و نیاز به پر کردن منظم آب است.
بر اساس فرمول ریاضی فوق، میتوانیم به وضوح ببینیم که روش جت جریان ثابت برای اندازهگیری رطوبت در گاز دودکش از طریق اندازهگیری غیرمستقیم دمای گاز دودکش حاصل میشود. حاصلضرب آن در شکل (3) نشان داده شده است.
فناوری اندازهگیری دما نسبتاً بالغ و قابل اعتماد است. حتی در شرایط کاری بسیار سخت، تعویض حسگرهای دما در محل میتواند به راحتی انجام شود. اگرچه روش جت جریان ثابت، اصل کار حباب تر-خشک است، اما شبیه رطوبتسنجهایی که معمولاً در بازار توسط ادارات هواشناسی برای اندازهگیری رطوبت نسبی هوا استفاده میشوند، نیست. این رطوبتسنج از طریق یک طراحی کاملاً جدید - حتی انقلابی - نوآورانه به نتایج اندازهگیری فوقالذکر دست یافته است.
روش تراکم
اصل روش تراکم به شرح زیر است: حجم مشخصی از گاز خروجی از دودکش استخراج شده و از یک کندانسور عبور میکند. میزان رطوبت موجود در گاز خروجی با جمع کردن مقدار آب متراکم شده و مقدار بخار آب موجود در گاز اشباع شده خروجی از کندانسور محاسبه میشود.
● کندانسور، به شکل (1) مراجعه کنید
● دستگاه نمونهبرداری از گرد و غبار دودکش: این دستگاه شامل یک نمونهگیر گرد و غبار دودکش (با قابلیت اندازهگیری tr، tv، Pr، Qrw، تنظیم زمان n و عملکرد خشک کردن گاز)، لوله نمونهبرداری و پمپ هوا است.
>> روشهای تشخیص
● کندانسور را به لوله آب سرد وصل کنید یا مستقیماً آن را در آب یخ قرار دهید، سپس کل سیستم را مطابق شکل ۲ وصل کنید و کل سیستم را از نظر نشت گاز بررسی کنید؛
● روش بررسی نشت گاز: لوله لاستیکی بین لوله نمونهبرداری و کندانسور را مسدود کنید، سپس پمپ هوا را روشن کنید. هنگامی که فشار منفی نشان داده شده توسط فشارسنج قبل از جریانسنج به 6.6 کیلوپاسکال (50 میلیمتر جیوه) رسید، لوله لاستیکی بین جریانسنج و پمپ هوا را ببندید و پمپاژ را متوقف کنید. اگر نشانگر فشارسنج در عرض 1 دقیقه بیش از 0.2 کیلوپاسکال (1.5 میلیمتر جیوه) کاهش نیافت، سیستم هوابندی شده است.
شکل (2) سیستم اندازهگیری و نمونهبرداری رطوبت
| واکنش کاهش کاتدی | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| واکنش اکسیداسیون آندی | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
همانطور که از معادلات واکنش الکترود بالا مشاهده میشود، هیچ مصرفی در سلول الکترولیتی یا الکترودها وجود ندارد. بنابراین، کاربران نیازی به تعویض الکترودها یا سلول الکترولیتی در حین کار ندارند؛ آنها فقط باید به صورت دورهای آب مقطر و الکترولیت را دوباره پر کنند (الکترولیت به دلیل تبخیر طبیعی کاهش مییابد). این با سنسورهای اکسیژن سلول سوختی فوق الذکر متفاوت است که معمولاً هر 1 تا 2 سال نیاز به تعویض دارند.
هنگام معرفی حسگرهای اکسیژن از نوع پیل سوختی قلیایی، تأکید میشود که نباید از آنها در کاربردهایی که گاز اندازهگیری شده حاوی اجزای اسیدی است، استفاده شود. حسگر اکسیژن الکترولیتی Delta F از محلول قلیایی KOH به عنوان الکترولیت خود استفاده میکند. برای غلبه بر تداخل ناشی از گازهای اسیدی و جلوگیری از خوردگی الکترود، یک جفت الکترود کمکی Stab-EL در داخل حسگر طراحی شده است. عملکرد این الکترودهای کمکی حذف این گازهای مضر پس از ورود گاز نمونه حاوی گازهای اسیدی به سلول الکترولیتی است و از این طریق از آسیب به حسگر جلوگیری کرده و دقت قرائتهای آنالایزر را تضمین میکند.
شکل 6-4 نمودار شماتیک سنسور اکسیژن Delta F trace
