Applications de la technologie de surveillance en ligne de l'humidité des gaz de combustion
Technologie des capteurs de piles à combustible
Les émissions de gaz de combustion provenant de divers brûleurs et chaudières industrielles et commerciales sont à l'origine d'une grave pollution atmosphérique. La surveillance des gaz toxiques et nocifs présents dans ces gaz constitue un aspect essentiel de la protection de l'environnement. Les systèmes de surveillance continue des émissions (CEMS) ont été développés pour répondre à ce besoin. Ces systèmes quantifient généralement les polluants présents dans les gaz de combustion à l'état sec. Or, les gaz de combustion rejetés industriellement ne sont pas parfaitement secs et contiennent toujours une certaine quantité d'humidité. Par conséquent, l'humidité des gaz de combustion est devenue un paramètre de mesure essentiel pour la surveillance des sources de pollution. La précision de cette mesure influe directement sur le calcul des émissions totales de polluants et de leurs concentrations, ainsi que sur l'évaluation de l'efficacité des systèmes d'épuration des gaz de combustion.
De plus, l'étalonnage de l'humidité représente un défi majeur. Ceci est dû à la difficulté de fabriquer des générateurs d'humidité haute température, ce qui affecte la traçabilité des mesures des hygromètres en ligne. Pour vérifier et étalonner les hygromètres de gaz de combustion, il est essentiel de disposer d'appareils capables de générer des sources d'humidité standard, ainsi que des étalons et des références d'humidité. Les méthodes de mesure de l'humidité permettant la détermination de l'humidité absolue peuvent servir de références, de même que les gaz dont le niveau d'humidité est connu. La norme « Détermination des particules et méthodes d'échantillonnage des polluants gazeux émis par les gaz d'échappement d'une source fixe » (GB/T 16157-1996) spécifie trois méthodes de mesure de l'humidité des gaz de combustion : la méthode du bulbe sec-humide, la méthode de condensation et la méthode gravimétrique. Ces trois méthodes, utilisées comme références pour la détection de l'humidité des gaz de combustion, permettent d'étalonner les hygromètres. Par ailleurs, les générateurs d'humidité, capables de produire un gaz humide constant dans des conditions de température et de pression spécifiques, peuvent également servir à l'étalonnage des hygromètres de gaz de combustion. Avec les progrès technologiques et l'importance croissante accordée par le pays à la protection de l'environnement, il existe actuellement quatre méthodes principales de mesure en ligne de l'humidité des gaz de combustion à haute température en Chine : la méthode d'injection à débit constant (bulbe humide-sec), la méthode de résistance-capacité, la méthode de flux d'ions à base de zircone (courant limite) et la méthode d'absorption spectrale infrarouge.
Introduction aux méthodes de mesure de l'humidité des gaz de combustion
>> Méthode du thermomètre sec-humide
La méthode des bulbes humide et sec mesure l'humidité relative de l'air en se basant sur la différence entre les températures des bulbes humide et sec. Les molécules d'eau s'évaporent de la surface du bulbe humide pour former de la vapeur d'eau, ce qui nécessite l'absorption de chaleur latente de vaporisation. L'évaporation continue absorbe la chaleur de la surface et refroidit le bulbe humide. Le degré de refroidissement est déterminé par l'humidité relative de l'air ambiant, la pression atmosphérique et la vitesse du vent. Si la pression atmosphérique et la vitesse du vent restent constantes, plus l'humidité relative est élevée, plus le taux d'évaporation de l'eau à la surface du bulbe humide est faible, et plus la température de surface du bulbe humide (différence entre les températures des bulbes humide et sec) est basse ; inversement, plus la différence entre les températures des bulbes humide et sec est grande. Par conséquent, en mesurant la différence entre les températures des bulbes humide et sec et en déterminant la relation entre l'humidité relative et cette différence de température, on peut calculer l'humidité relative.2,3
Principe de la mesure de l'humidité par la méthode du bulbe humide-bulbe sec
Selon les principes du transfert de chaleur et d'humidité, lorsque l'équilibre thermique et d'humidité est atteint, la quantité de transfert de chaleur Q1 de l'air au bulbe humide est égale à la chaleur latente Q2 requise pour l'évaporation de l'humidité de la gaze, c'est-à-dire : Q1 = Q2 (1)
D'après le principe de transfert de chaleur : Q1=α(t-tw)F (2)
Dans la formule : α est le coefficient d'échange thermique entre l'air et la surface de l'eau du bulbe humide, W/m2 ·℃ ; t est la température du bulbe sec, °C ; tw est la température du bulbe humide, °C ; F est la surface du bulbe humide, m².
D’après le principe de transfert d’humidité et la loi d’évaporation de Dalton, la masse d’eau évaporée est directement proportionnelle au déficit de saturation en vapeur de l’air ambiant et à la surface d’évaporation, et inversement proportionnelle à la pression atmosphérique. Par conséquent, le taux d’échange d’humidité[4] peut s’exprimer comme suit :
Dans la formule : W est le taux d’échange d’humidité, kg/s ; r est la chaleur latente de vaporisation, J/kg ; β est le coefficient d’échange d’humidité, kg/(m²·s·Pa) ; F est la surface du bulbe humide, m² ; B est la pression atmosphérique réelle, Pa ; P´q,b est la pression partielle de la vapeur d’eau saturée à la température du bulbe humide, Pa ; Pq est la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air, Pa.
Dérivé des formules (1), (2) et (3) :
Dans la formule : le coefficient du psychromètre
Par conséquent, l'humidité relative est :
La méthode des thermomètres sec et humide, utilisée pour la surveillance des gaz de combustion issus de sources polluantes, emploie généralement deux thermocouples identiques comme capteurs de température : l’un mesure la température sèche et l’autre la température humide. Le capteur de température sèche est placé dans le flux principal des gaz de combustion, tandis que celui de température humide est enveloppé d’une gaze de coton reliée à un réservoir d’eau. Le thermomètre humide et les gaz de combustion environnants sont considérés comme un système unique, sans tenir compte de la conduction thermique par rayonnement. Un appareil automatique de mesure de l’humidité, basé sur le principe des thermomètres sec et humide, utilise un microprocesseur pour piloter des capteurs qui mesurent et enregistrent des paramètres tels que les températures de surface des thermomètres sec et humide, la pression à la surface du thermomètre humide et la pression statique à l’échappement. Il en déduit la pression de vapeur saturante à la température de surface du thermomètre humide et, en combinant cette valeur avec la pression atmosphérique, calcule automatiquement l’humidité des gaz de combustion à l’aide d’une formule.
1-Fumée ;
2-Thermomètre à bulbe sec ;
3-Thermomètre à bulbe humide ;
4-Tube d'échantillonnage isolé ;
5-Manomètre à vide ;
6-Rotamètre;
7-Pompe d'aspiration d'air
>> Méthode de jet à débit constant
Méthode de jet à débit constant (température humide-température sèche). Principe de base de la mesure de l'humidité par la méthode du bulbe humide-température sèche : un capteur de température (5) mesure la température des gaz de combustion comme étant la température sèche, et une cellule de mesure (3) est remplie d'une certaine quantité d'eau. L'eau du réservoir (1) est alimentée en continu à la cellule de mesure par une pompe à tuyau (2). Le niveau d'eau dans la cellule de mesure est contrôlé par un capteur, et la pression à l'intérieur de la cellule est également mesurée par un capteur afin de garantir la précision de la mesure et de contrôler le liquide. Un capteur de température (6) est installé à l'intérieur de la cellule de mesure et doit être positionné sous la surface de l'eau. Les gaz de combustion sont ensuite injectés en continu à débit constant directement au-dessus de la surface de l'eau dans la cellule de mesure, et la température mesurée est considérée comme la température humide (voir figure 2). À partir des principes de transfert de chaleur et de thermodynamique, la formule mathématique suivante peut être déduite :
Dans la formule
U—Humidité relative % ;
etw—Pression de vapeur d'eau saturée à la température du bulbe humide ;
et—Pression de vapeur d'eau saturée à température de bulbe sec ;
P—Pression atmosphérique ;
∆t—Différence de température entre le bulbe sec et le bulbe humide ;
A—Constante liée à la vitesse du vent.
Hygromètre à jet à débit constant haute température de Chang Ai
L'hygromètre CI-PC39 de Chang Ai a été utilisé avec succès dans des procédés de mesure à haute température et forte humidité, ainsi que dans des procédés impliquant des gaz corrosifs et chargés de poussières. Dans de nombreux procédés industriels, il est essentiel de surveiller et de contrôler l'humidité des gaz de procédé afin de garantir la qualité des produits, d'optimiser l'efficacité énergétique ou d'atteindre les objectifs de réduction des émissions. Le CI-PC39 est un hygromètre de procédé conçu pour répondre aux exigences industrielles les plus strictes, notamment la mesure de l'humidité dans des milieux agressifs et résistants à la corrosion (tels que les usines d'incinération des déchets, l'acide sulfurique, l'acide fluorhydrique ou l'eau régale). Il se caractérise par des données de mesure précises et fiables, une large plage de températures de fonctionnement, une maintenance réduite et une longue durée de vie. Ses inconvénients sont son prix élevé, sa taille importante et la nécessité d'un remplissage régulier en eau.
D’après la formule mathématique ci-dessus, on constate clairement que la méthode de mesure de l’humidité des gaz de combustion par injection de courant constant repose sur une mesure indirecte de la température de ces gaz. Le résultat obtenu est illustré à la figure 3.
La technologie de mesure de la température est relativement mature et fiable. Même dans des conditions de travail extrêmement difficiles, le remplacement des capteurs de température sur site est aisé. Bien que le principe de fonctionnement du thermomètre à bulbe humide-sec repose sur la méthode de jet à flux constant, il diffère de celui des hygromètres couramment utilisés par les services météorologiques pour mesurer l'humidité relative de l'air. Cet hygromètre a atteint les résultats de mesure mentionnés grâce à une conception innovante, inédite voire révolutionnaire.
Méthode de condensation
Le principe de la méthode de condensation est le suivant : un certain volume de gaz d’échappement est extrait de la cheminée et passe dans un condenseur. La teneur en humidité des gaz d’échappement est calculée en additionnant la quantité d’eau condensée et la quantité de vapeur d’eau contenue dans le gaz saturé sortant du condenseur.
● Condenseur, voir figure (1)
● Dispositif d'échantillonnage des poussières de combustion : Il se compose d'un échantillonneur de poussières de combustion (capable de mesurer tr, tv, Pr, Qrw, réglage de la minuterie n et fonction de séchage des gaz), d'un tube d'échantillonnage et d'une pompe à air.
>> Procédures de détection
● Raccordez le condenseur au tuyau d'eau froide ou placez-le directement dans de l'eau glacée, puis raccordez l'ensemble du système comme indiqué sur la figure 2 et vérifiez l'absence de fuites de gaz dans tout le système ;
● Méthode de contrôle des fuites de gaz : obturer le tube en caoutchouc entre le tube de prélèvement et le condenseur, puis mettre en marche la pompe à air. Lorsque la dépression indiquée par le manomètre en amont du débitmètre atteint 6,6 kPa (50 mmHg), obturer le tube en caoutchouc entre le débitmètre et la pompe à air et arrêter le pompage. Si la pression indiquée par le manomètre ne chute pas de plus de 0,2 kPa (1,5 mmHg) en 1 minute, le système est étanche.
Figure (2) Système de mesure et d'échantillonnage de l'humidité
| Réaction de réduction cathodique | O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH |
| réaction d'oxydation anodique | 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ |
Comme le montrent les équations de réaction aux électrodes ci-dessus, il n'y a pas de consommation de la cellule électrolytique ni des électrodes. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de remplacer les électrodes ou la cellule électrolytique pendant le fonctionnement ; il suffit de compléter périodiquement l'eau distillée et l'électrolyte (ce dernier diminuant naturellement par évaporation). Ceci diffère des capteurs d'oxygène des piles à combustible mentionnés précédemment, qui doivent généralement être remplacés tous les 1 à 2 ans.
Lors de l'introduction des capteurs d'oxygène de type pile à combustible alcaline, il est essentiel de souligner qu'ils ne doivent pas être utilisés dans des applications où le gaz mesuré contient des composants acides. Le capteur d'oxygène électrolytique Delta F utilise une solution alcaline de KOH comme électrolyte. Afin de pallier les interférences causées par les gaz acides et de prévenir la corrosion des électrodes, une paire d'électrodes auxiliaires Stab-EL est intégrée au capteur. Ces électrodes auxiliaires ont pour fonction d'éliminer ces gaz nocifs après l'entrée du gaz échantillon contenant des gaz acides dans la cellule électrolytique, évitant ainsi d'endommager le capteur et garantissant la précision des mesures de l'analyseur.
Figure 6-4 Schéma du capteur d'oxygène à l'état de traces Delta F
