معرفی و توسعه کاربرد آنالایزر دما و رطوبت بالای آنلاین گاز دودکش

معرفی و توسعه کاربرد آنالایزر دما و رطوبت بالای آنلاین گاز دودکش

پیشگفتار

اندازه‌گیری رطوبت گاز دودکش در گاز خروجی از منبع آلودگی ثابت، عمدتاً برای به دست آوردن میزان اکسیژن خشک برای محاسبه میزان واقعی گاز دودکش و انتشار آلودگی گازی است. به دلیل دمای بالای گاز دودکش مرطوب، مقدار زیاد گرد و غبار و تفاوت زیاد اجزای گاز دودکش دیگ بخار یا کوره صنعتی مورد استفاده در زمینه‌های صنعتی مانند نیروگاه حرارتی، کارخانه پتروشیمی، کارخانه سوزاندن زباله، کارخانه فولادسازی و غیره، علاوه بر این، اندازه‌گیری رطوبت در جهان یک مشکل دشوار است، بنابراین تشخیص آنلاین رطوبت گاز دودکش بسیار دشوار است. در چند سال گذشته، اندازه‌گیری دما و رطوبت بالای گاز دودکش خانگی عمدتاً با دست انجام می‌شد، یعنی طبق الزامات GB/T 16157-1996 "روش تعیین ذرات معلق و نمونه‌برداری از آلاینده‌های گازی در اگزوز منبع آلودگی ثابت"، روش وزنی، روش تراکم و روش توپ خشک-مرطوب برای تعیین انتخاب شدند و مقدار میانگین به سیستم CEMS وارد شد. با توسعه و پیشرفت فناوری و توجه بیشتر به حفاظت از محیط زیست ملی، در حال حاضر چهار نوع روش اندازه‌گیری آنلاین دما و رطوبت بالای گاز دودکش در چین وجود دارد: ۱. روش خازنی مقاومتی ۲. روش اصلی اکسید زیرکونیوم نوع جریان محدود ۳. روش تزریق ضربه‌ای (توپ خشک و مرطوب) ۴. روش جذب طیف مادون قرمز.

۱. روش خازن مقاومتی

روش مقاومت-خازن مورد استفاده در اندازه‌گیری دما و رطوبت بالای گاز دودکش در چین، روش خازنی است. حسگرهای مورد استفاده در این روش عمدتاً از پلی‌آمید به عنوان ماده حساس به رطوبت استفاده می‌کنند. خازن حساس به رطوبت پلیمری ساخته شده از این ماده، عملکرد الکتریکی خوبی دارد و ثابت دی‌الکتریک و تلفات دی‌الکتریک آن بسیار کم است. ثابت دی‌الکتریک پلی‌آمید در حالت خشک شدن کامل 2 تا 3 است و ثابت دی‌الکتریک مولکول آب در دمای 20 درجه سانتیگراد حدود 80 است. ثابت دی‌الکتریک احیا شده پس از جذب مولکول آب عبارت است از:

εu=εr+aWuεh (1)

وو=b(p/p0) εr+ aWuεh (2)

εu رطوبت نسبی ثابت دی‌الکتریک کامپوزیت u%RH، εr رطوبت 0%RH ثابت دی‌الکتریک فیلم پلی‌آمید، a و b ثابت ساختار، εh ثابت دی‌الکتریک آب جذب‌شده در فیلم پلی‌آمید، Wu رطوبت u%RH جرم آب جذب‌شده توسط جرم واحد پلیمر، p/p0 فشار نسبی تعادل بخار آب است. هنگامی که خازن حساس به رطوبت ماکرومولکول، مولکول‌های آب گازی موجود در محیط را جذب می‌کند، ثابت دی‌الکتریک ماده تغییر می‌کند و در نتیجه باعث تغییر مقدار خازن می‌شود. مقدار رطوبت محیطی مربوطه با اندازه‌گیری مقدار خازن تغییر محاسبه می‌شود. در حال حاضر، حسگر خازنی - خازن حساس به رطوبت پلیمری که در اندازه‌گیری دما و رطوبت بالا در گاز دودکش استفاده می‌شود، از یک ساختار خازنی مسطح استفاده می‌کند که عمدتاً از یک زیرلایه شیشه‌ای، یک الکترود پایینی، یک فیلم حساس به رطوبت پلیمری، یک الکترود بالایی و موارد مشابه تشکیل شده است. طبق فرمول خازن تخت، رابطه بین ظرفیت خازنی و رطوبت نسبی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد

شکل 1 نمودار ساختاری خازن حساس به رطوبت پلیمری

مقدار ظرفیت خازن حساس به رطوبت Ch، ε0 ثابت دی الکتریک خلأ، S مساحت الکترود خازن حساس به رطوبت، D فاصله بین الکترودهای خازن حساس به رطوبت و همچنین ضخامت فیلم حساس به رطوبت است. از فرمول‌های (1)، (2) و (3) می‌توان دریافت که رابطه بین ظرفیت جذب مولکولی آب خازن حساس به رطوبت و فشار نسبی تعادل بخار آب باید با ایزوترم جذب هری مطابقت داشته باشد، یعنی رابطه بین ظرفیت خازن و رطوبت نسبی خطی است.

به طور خلاصه، می‌توانیم ببینیم که اندازه‌گیری رطوبت در دمای بالا، رطوبت نسبی موجود در گاز دودکش را با روش حجم مقاومت، طبق تعریف رطوبت نسبی، منعکس می‌کند: رطوبت نسبی را می‌توان به صورت نسبت فشار آب به فشار بخار آب اشباع در دما و فشار معین بیان کرد. طبق تعریف، رطوبت نسبی و دما ارتباط نزدیکی با هم دارند، در کاربرد عملی، ما به مقدار رطوبت گاز دودکش به عنوان نسبت حجمی نیاز داریم که برای محاسبه میزان اکسیژن خشک در گاز دودکش مناسب است. بنابراین، برای محاسبه نسبت حجمی بخار آب در گاز دودکش، لازم است دمای محیط سنسور رطوبت اندازه‌گیری شود.

با توجه به کاربرد واقعی رطوبت‌سنج گاز دودکش به روش مقاومت-خازن، روش مقاومت-خازن دارای ویژگی‌های زمان پاسخ سریع، حجم کم و عدم آسیب‌دیدگی آسان در هنگام چگالش آب است. عیب این روش این است که دمای گاز دودکش نمی‌تواند از ۱۷۰ درجه سانتیگراد تجاوز کند، هرچه دما بالاتر باشد، داده‌ها راحت‌تر نوسان می‌کنند و نسبت حجمی کمتر از ۶٪ رطوبت به راحتی قابل اندازه‌گیری نیست. دلیل آن این است که رطوبت ۰-۴۰٪ (نسبت حجمی) گاز آب (بیش از ۳۰ درجه سانتیگراد) است، با دما (بیش از ۱۰۰ درجه سانتیگراد) مربوط به فشار آب اشباع، هرچه رطوبت نسبی بیشتر باشد، تغییر ظرفیت مربوطه کمتر خواهد بود. اما دامنه یا وضوح تغییر ظرفیت محدود است. سوم، گاز دودکش زباله‌سوز، گاز دودکش متالورژی و غیره اغلب خوردگی خاصی دارند، الکترود به راحتی خراب می‌شود و عمر آن بسیار کوتاه است.

2. روش اصولی محدود کردن زیرکونیای فعلی

زیرکونیای نوع جریان محدود با استفاده از اصل پمپ اکسیژن زیرکونیا کار می‌کند.

یعنی، ابتدا، الکترولیت جامد زیرکونیا تا دمای بالا (بیش از 350 درجه سانتیگراد) گرم می‌شود، همزمان، ولتاژ کار به الکترودهای پلاتین در دو طرف الکترولیت جامد زیرکونیا اعمال می‌شود، مولکول اکسیژن در سمت کاتد به یون‌های اکسیژن کاتالیز می‌شود و توسط ولتاژ اعمال شده برای "پمپ" به آند هدایت می‌شود. جریان خروجی سنسور با افزایش ولتاژ اعمال شده هنگامی که غلظت اکسیژن در جو مشخص است، افزایش نمی‌یابد، اما به یک مقدار ثابت می‌رسد که به آن مقدار جریان حدی تحت غلظت اکسیژن گفته می‌شود و عموماً به آن سکوی جریان حدی اول I1 گفته می‌شود. طبق این اصل، با قرار دادن سنسور جریان حدی در محیطی حاوی بخار آب و افزایش ولتاژ اعمال شده، می‌توان مقدار جریان حدی قابل توجهی را اندازه‌گیری کرد که معمولاً به عنوان مرحله جریان حدی دوم I2 شناخته می‌شود، اگرچه این مقدار جریان حاوی مولکول‌های اکسیژن و مولکول‌های آب یونیزه شده است. دو مقدار جریان حدی به ترتیب متناسب با محتوای اکسیژن در محیط و محتوای اکسیژن حاوی بخار آب هستند. مکانیسم ریزواکنش زیرکونیا روی کاتد و آند به شرح زیر است:

سمت کاتد O2+4e-→2O2- (1)

H2O+2e-→H2+O2- (2)

سمت آند O2-→1/2O2+2e- (3)

شکل 2 ساختار حسگر اکسید زیرکونیوم از نوع جریان محدود

طبق قانون فیکسِ حد نفوذ گاز در حفره حسگر، با فرض اینکه ضرایب نفوذ اکسیژن و بخار آب برابر هستند، دو مقدار جریان حدی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

در فرمول: F ثابت فارادی است

D ضریب انتشار گاز مخلوط است

S مساحت حفره محدودکننده جریان اکسید زیرکونیوم (حفره نفوذ) است.

P فشار کل گاز مخلوط است

R ثابت گازها است

T دمای عملیاتی زیرکونیا (K) است.

L طول سوراخ انتشار گاز است

میزان اکسیژن موجود در گاز دودکش را می‌توان با توجه به جریان حد اول محاسبه کرد و رطوبت موجود در گاز دودکش را می‌توان با توجه به تفاوت بین جریان حد دوم و جریان حد اول محاسبه کرد. بنابراین، استفاده از دستگاه رطوبت سنج اصل اکسید زیرکونیوم با جریان حد در مقایسه با سایر دستگاه‌های رطوبت سنج اصل، مزیت آشکاری دارد، زیرا ماهیت آن اندازه‌گیری اکسیژن است و برای اندازه‌گیری رطوبت باید اکسیژن را اندازه‌گیری کرد. برای کاربر، نیازی به نصب آنالیزور اندازه‌گیری اکسیژن نیست، یک دستگاه رطوبت سنج می‌تواند دو داده اندازه‌گیری را همزمان ارائه دهد.

از مزایای استفاده واقعی از روش اصلی رطوبت‌سنج اکسید زیرکونیوم با جریان محدود، می‌توان به حجم کم، دقت اندازه‌گیری بالا، قابلیت استفاده از دمای گاز دودکش از دمای معمولی تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد و عملکرد با هزینه بالا اشاره کرد. عیب این روش این است که دستگاه را نمی‌توان در آب مایع یا آب مایع روشن کرد و دستگاه به راحتی در جو گاز دودکش حاوی دی اکسید سیلیکون یا فلزات سنگین مانند آرسنیک و سرب مسموم می‌شود.

در واقع، وقتی از الکترود کاتالیزوری اکسید زیرکونیوم صحبت می‌شود، به دلیل محتوای بالای گوگرد زغال سنگ در چین، معمولاً برای گوگردزدایی به الکترود پلاتین نیاز است. با این حال، قسمت‌های جلویی و پشتی برج گوگردزدایی اغلب نیاز به نظارت بر گاز دودکش دارند، اما اگر الکترود پلاتینیوم زیرکونیا برای مدت طولانی در محیط گاز دودکش با محتوای بالای SO2 کار کند، عمر مفید آن نیز به شدت تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. بنابراین، در کاربردهای عملی، مانند ورودی گوگردزدایی، بازیابی گوگرد گاز طبیعی، سوزاندن زباله و غیره، الکترود اکسید زیرکونیوم با استفاده از الکترود پلاتین به راحتی خورده می‌شود. در سال‌های اخیر، به منظور حل تأثیر جو خورنده بر عمر مفید زیرکونیا از نوع جریان محدود، حسگر زیرکونیا که توسط فرستنده رطوبت PC18 شرکت فناوری الکترونیکی شانگهای چانگ آی به کار گرفته شده است، نوآوری جسورانه‌ای انجام داده است. الکترود کاتالیزوری زیرکونیا به الکترود سرامیکی تغییر یافته است که کاربرد زیرکونیای نوع جریان محدود را در شرایط سوزاندن زباله‌های پزشکی، صنایع پتروشیمی، VOC و غیره با یک ضربه حل کرده است.

فرستنده رطوبت PC18

۳. روش جت ضربه‌ای (توپ خشک-مرطوب)

اصل اساسی اندازه‌گیری رطوبت با روش توپ خشک-مرطوب: از یک سنسور دما برای اندازه‌گیری دمای گاز دودکش به عنوان دمای توپ خشک استفاده می‌شود، از یک حوضچه اندازه‌گیری برای بارگیری مقدار مشخصی آب استفاده می‌شود، سپس یک سنسور دما در حوضچه اندازه‌گیری قرار می‌گیرد و سنسور دما باید زیر سطح آب قرار گیرد و سپس گاز دودکش به طور مداوم بر سطح آب مستقیماً بالای سنسور دمای استخر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد و دمای اندازه‌گیری شده به عنوان دمای توپ مرطوب در نظر گرفته می‌شود. طبق اصل انتقال حرارت و نظریه ترمودینامیک، فرمول ریاضی زیر را می‌توان استخراج کرد:

در فرمول：

رطوبت نسبی٪

فشار آب اشباع در دمای کره مرطوب

فشار آب اشباع در دمای گلوله خشک

فشار اتمسفر

تفاوت بین دمای توپ خشک و مرطوب

ثابت، مربوط به سرعت باد

با توجه به فرمول ریاضی فوق، به وضوح می‌توان دریافت که روش تزریق ضربه‌ای برای اندازه‌گیری رطوبت در گاز دودکش با اندازه‌گیری غیرمستقیم دمای گاز دودکش حاصل می‌شود. فناوری اندازه‌گیری دما نسبتاً بالغ و قابل اعتماد است. حتی اگر شرایط کار بسیار بد باشد، تغییر حسگر دما بسیار سریع است.

با توجه به شرایط کاربرد عملی در کارخانه بازیابی گوگرد گاز طبیعی، کارخانه فرآوری مواد غذایی، کارخانه نساجی، کارخانه سوزاندن زباله و غیره، دستگاه رطوبت سنج دمای بالا با روش پاشش ضربه‌ای (توپ خشک-مرطوب) عمر طولانی دارد (در حال حاضر پنج سال متوالی مورد استفاده قرار گرفته و هنوز به طور عادی کار می‌کند)، داده‌های اندازه‌گیری شده دقیق و قابل اعتماد هستند، سازگاری قوی با محیط‌های سخت، دامنه سازگاری دمایی گسترده و نگهداری کم دارند. عیب این دستگاه قیمت بالا، حجم زیاد و نیاز به اضافه کردن منظم آب است.

اگرچه روش تزریق ضربه‌ای، اصل کار توپ خشک و مرطوب است، اما استفاده رایج بخش هواشناسی برای اندازه‌گیری رطوبت نسبی هوا نیست، مانند شرکت فناوری الکترونیکی شانگهای چانگ آی. با مسئولیت محدود. CI-PC39 یک طراحی کاملاً جدید یا حتی نوآورانه جدید است که برای دستیابی به اثر اندازه‌گیری فوق طراحی شده است.

آنالایزر رطوبت CI-PC39

روش جذب مادون قرمز ۴.

جذب طیف گسترده مادون قرمز بر اساس این اصل است که جذب انتخابی مولکول‌های بخار آب به طول موج‌های مادون قرمز خاص با غلظت آنها تغییر می‌کند. با این حال، از سال ۱۹۱۲ که فاول برای اولین بار اندازه‌گیری رطوبت مادون قرمز را پیشنهاد کرد، اندازه‌گیری رطوبت به دلیل فناوری جذب طیف گسترده که توسط فناوری جذب مادون قرمز سنتی محدود شده بود، کند بوده است. با توسعه سریع طیف‌سنجی لیزر نیمه‌هادی (DLAS) در دهه ۱۹۹۰، آنالایزر دما و رطوبت بالای آنلاین برای گاز دودکش توسعه داده شد. در مقایسه با طیف‌سنجی جذب جذب مادون قرمز سنتی، تکنیک DLAS به جذب طیف باریک تعلق دارد، زیرا پهنای طیفی (کمتر از ۰.۰۰۰۱ نانومتر) منبع لیزر نیمه‌هادی بسیار کوچکتر از پهن شدن خط جذب گاز است. هر مولکول گاز طیف جذب ذاتی خود را دارد، هنگامی که طیف انتشار منبع نور با طیف جذب مولکول گاز مطابقت دارد، شدت جذب به کسر حجمی گاز مربوط می‌شود. با نگاهی به پایگاه داده مربوطه، می‌توانیم دریابیم که جذب گاز آب در نزدیکی خط جذب با طول موج ۱۳۹۰ نانومتر بسیار قوی است و هیچ جذب تداخلی آشکاری از گازهای دیگر وجود ندارد. هنگامی که یک لیزر نیمه‌هادی با شدت I0 از گاز مورد اندازه‌گیری عبور می‌کند، اگر طیف منبع نور، طیف جذبی مولکول گاز را پوشش دهد، نور هنگام عبور از گاز دچار واپاشی می‌شود. طبق قانون لامبرت-بیر، رابطه بین شدت I نور خروجی و شدت I0 نور فرودی و غلظت حجمی گاز به صورت زیر است:

در فرمول (1)، I و I0 به ترتیب شدت نور خروجی و تابشی هستند؛ α(λ) ضریب جذب محیطی با غلظت واحد و طول واحد در طول موج مشخص است. C غلظت گاز مورد اندازه‌گیری و L مسیر نوری است.

برای دستیابی به حساسیت بالاتر یا بیشتر و کاهش نویز 1/f لیزر، تکنیک DLAS معمولاً به تکنیک تشخیص طیف مدولاسیون نیاز دارد. این تکنیک با مدولاسیون فرکانس بالا، تأثیر نویز لیزر بر اندازه‌گیری را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. در عین حال، می‌توان با تنظیم ثابت زمانی بزرگتر برای آشکارساز حساس به فاز مورد استفاده در تکنیک تشخیص حساس به فاز (تشخیص اجزای هارمونیک)، یک فیلتر میان‌گذر با پهنای باند باریک به دست آورد و در نتیجه پهنای باند نویز را به طور مؤثر فشرده کرد.

وقتی از آنالایزر رطوبت دمای بالای گاز دودکش که توسط DLAS توسعه داده شده است برای اندازه‌گیری گاز دودکش استفاده می‌شود، این اختراع به اندازه‌گیری غیرتماسی تعلق دارد که نمی‌تواند ناشی از مسمومیت حسگر باشد یا توسط گاز پس‌زمینه تداخل پیدا کند. این اختراع دارای مزایای زمان پاسخ سریع، دقت بالای داده‌های اندازه‌گیری، دوره کالیبراسیون طولانی و تقریباً بدون نیاز به تعمیر و نگهداری است. عیب آن قیمت بالای آن است.

۵. روند توسعه

همانطور که همه ما می‌دانیم، اجزای اصلی ابزارهای تحلیلی آنلاین در حسگرها هستند، کشور ما به دلیل شروع دیرهنگام، صنعت پایه ضعیفی دارد، اگرچه پس از این سال‌ها توسعه، تولیدکنندگان داخلی ابزارهای تحلیلی در تسلط بر فناوری اصلی پیشرفت زیادی داشته‌اند، اما در مقایسه با کشورهای خارجی هنوز شکاف بسیار آشکاری وجود دارد. اکثر تولیدکنندگان داخلی ابزارهای تحلیلی، حسگرهای خارجی را خریداری می‌کنند و سپس ابزار دوم را برای ورود به بازار با رقابت قیمتی همگن طراحی می‌کنند و این باعث ناراحتی مردم می‌شود که بازار پایین‌رده ابزارهای تحلیلی (بازار بالارده تقریباً در انحصار کشورهای خارجی است) در درازمدت، بر توسعه صنعت ابزارهای تحلیلی داخلی تأثیر می‌گذارد یا آن را به تأخیر می‌اندازد.

در حال حاضر، به دلایل قیمت، ابزار آنلاین رطوبت دمای بالا عمدتاً از روش ظرفیت مقاومتی و زیرکونیا با جریان محدود در بازار استفاده می‌کند، ابزار رطوبت دمای بالا مبتنی بر اصل روش جت ضربه‌ای (توپ خشک-مرطوب) و روش جذب طیف مادون قرمز سهم بازار بسیار کمی دارد. شرکت فناوری الکترونیکی شانگهای چانگ آی، با تلاش‌های طولانی مدت و بی‌وقفه، به طور مستقل حسگر اکسید زیرکونیوم با جریان محدود ابزار رطوبت دمای بالای آنلاین گاز دودکش و روش تزریق ضربه‌ای اجزای اصلی - استخر اندازه‌گیری - را توسعه داده است. برخی از مؤسسات تحقیقات علمی داخلی مانند علوم برق چین ۴۹ نیز می‌توانند حسگر ابزار رطوبت دمای بالا را با روش مقاومت-خازن انجام دهند، اما عملکرد ناپایدار است و به دور از صنعتی شدن است، در حال حاضر بازار اساساً در خارج از کشور طراحی شده است. دیود لیزر نیمه‌هادی، جزء اصلی ابزار رطوبت دمای بالای آنلاین گاز دودکش با روش جذب طیف مادون قرمز، توسط تولیدکنندگان داخلی قابل تولید نیست. فقط آلمان، ایالات متحده، هلند و چندین کشور دیگر می‌توانند این کار را انجام دهند. فقدان یا کمبود فناوری اصلی، توسعه و پیشرفت ابزار اندازه‌گیری رطوبت دمای بالای گاز دودکش را به صورت آنلاین محدود می‌کند.

در آینده، توسعه ابزار رطوبت آنلاین دمای بالای گاز دودکش توسط عوامل مختلفی محدود خواهد شد، ابزار رطوبت با چهار اصل فوق به طور همزمان وجود خواهد داشت، می‌توان پیش‌بینی کرد که ابزار رطوبت با روش ظرفیت مقاومتی و اصل اکسید زیرکونیوم نوع جریان محدود، قابلیت اطمینان و عمر مفید را بیشتر بهبود می‌بخشد، ابزار رطوبت با روش تزریق ضربه‌ای، حجم را بیشتر کاهش می‌دهد، هزینه را کاهش می‌دهد و سهم بازار را افزایش می‌دهد. رطوبت‌سنج جذب مادون قرمز باید امیدوارکننده‌ترین باشد، همچنین نشان دهنده جهت توسعه ابزار آنالیز گاز آنلاین است، اما اگر تولیدکنندگان داخلی نتوانند توسعه و تولید دیود لیزر نیمه‌هادی را حل کنند، هزینه کاهش را محدود می‌کند، بر ارتقاء بازار تأثیر می‌گذارد، حتی اگر تأمین‌کنندگان خارجی قیمت را کاهش دهند، شرکت‌های داخلی فقط می‌توانند برای شرکت‌های خارجی کار کنند و سپس رقابت قیمت پایین را در چین انجام دهند و با جنگ قیمت مبارزه کنند. ما امیدواریم که انجمن صنعت داخلی ابزارهای تحلیلی آنلاین یا ادارات دولتی مربوطه بتوانند همکاری بین دانشگاه‌ها، مؤسسات تحقیقاتی علمی و شرکت‌ها را ارتقا دهند، مزایای یکدیگر را تکمیل کنند، انحصار تولیدکنندگان خارجی را در اسرع وقت بشکنند و اجازه دهند صنعت ابزارهای تحلیلی چین به سمت سطح بالا حرکت کند.