Applications de la technologie de surveillance en ligne de l'humidité des gaz de combustion -2
Flux d'ions (zircone)
Des recherches théoriques approfondies et de nombreuses expériences ont permis de vérifier que les capteurs à flux ionique permettent une mesure précise de l'humidité. Cette mesure est obtenue en ajustant la tension appliquée à la cathode et à l'anode du capteur. Cette découverte résout le problème du fonctionnement inefficace des capteurs d'humidité conventionnels dans les environnements à haute température (supérieure à 100 °C).
Des électrodes en platine sont déposées sur les deux faces d'une couche de ZrO₂ stabilisée. La face cathodique est recouverte d'un couvercle percé de trous de diffusion de gaz, formant ainsi une cavité cathodique. À une température donnée, une tension de fonctionnement spécifique est appliquée entre l'anode et la cathode du ZrO₂. Les molécules d'oxygène contenues dans la cavité captent alors des électrons à la cathode pour former des ions oxygène (O₂⁻). Ces ions O₂⁻ migrent vers l'anode à travers les lacunes d'oxygène du ZrO₂, libèrent des électrons et se transforment en molécules d'oxygène qui sont ensuite évacuées vers l'extérieur. Ce phénomène est connu sous le nom de pompe électrochimique. De cette manière, l'oxygène présent dans la cavité cathodique est continuellement extrait de celle-ci par l'électrolyte de ZrO₂, et les ions oxygène circulent de la cathode à l'anode à travers le ZrO₂, générant un courant d'ions oxygène. Lorsque la concentration d'oxygène dans l'atmosphère mesurée est constante, le courant de sortie du capteur à zircone n'augmente plus avec la tension appliquée, mais atteint une valeur constante. Cette valeur de courant constant est appelée valeur de courant limite pour cette concentration d'oxygène, que nous nommons première valeur de courant limite (voir figure 1-A). Selon ce principe de fonctionnement, lorsque l'atmosphère mesurée contient de la vapeur d'eau, l'augmentation de la tension de fonctionnement appliquée provoque l'ionisation de cette vapeur d'eau en ions oxygène. De même, lorsque la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère mesurée est constante, le capteur à zircone délivre une valeur de courant constant, appelée seconde valeur de courant limite (voir figure 1-B). Les valeurs de courant du premier étage I1 et du second étage I2 sont respectivement proportionnelles à la pression partielle d'oxygène et à la pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère contenant de la vapeur d'eau.
Les réactions à la cathode et à l'anode du capteur sont les suivantes :
Figure (2) Principe du flux ionique
Conformément à la loi de Fick, limitée par les trous de diffusion des gaz du capteur, en supposant que le coefficient de diffusion de l'oxygène est égal à celui de la vapeur d'eau, le premier courant limite I1 et le second courant limite I2 sont exprimés respectivement par les formules suivantes :
Dans la formule :
F est la constante de Faraday et S est la surface des trous de diffusion.
D est le coefficient de diffusion des molécules de gaz mélangées. P est la pression totale du mélange gazeux.
PO2 est la pression partielle d'oxygène. PH2O est la pression partielle de vapeur d'eau.
R est la constante des gaz parfaits, T est la température absolue
L représente la longueur des orifices de diffusion des gaz et 0,21 la teneur en oxygène de l'air.
La courbe de relation entre la valeur du courant limite ionique et la concentration en oxygène est représentée sur la figure (3) :
La teneur en oxygène des gaz de combustion peut être calculée à partir du premier courant limite, tandis que leur humidité peut être calculée à partir de la différence entre les deuxième et premier courants limites. De ce fait, les hygromètres utilisant le principe du courant limite à zircone présentent un avantage certain par rapport à ceux utilisant d'autres principes. Leur fonction principale étant la détection de l'oxygène, et sa mesure étant indispensable au contrôle de l'humidité, il n'est pas nécessaire d'installer un analyseur d'oxygène séparé. Un seul hygromètre peut fournir simultanément les deux séries de mesures.
>> Analyseur d'humidité à flux d'ions 3D par aspiration
Plusieurs entreprises chinoises fabriquent des analyseurs d'humidité à haute température par aspiration. À titre d'exemple, nous présentons ici les produits de Chang Ai.
Pour contrer l'impact des atmosphères corrosives sur les électrodes des capteurs, Chang Ai a amélioré les matériaux d'électrodes catalytiques en zircone-platine et adopté un nouvel électrolyte grâce à une technologie de synthèse nanochimique. Cette méthode permet de résoudre les problèmes de corrosion des électrodes et de durée de vie réduite dans les gaz de combustion riches en SO₂ provenant des usines d'incinération des déchets, de calcination des minerais, des usines de céramique et des centrales électriques. De plus, en s'appuyant sur le principe des capteurs à courant limite, Chang Ai a réalisé une innovation majeure en intégrant simultanément deux capteurs d'oxygène sur une seule puce, résolvant ainsi le problème de la mesure simultanée de l'oxygène dynamique et de l'oxygène électrolytique par un seul capteur.
Le dispositif à flux ionique 3D utilise une unité de détection à double flux ionique. Une unité mesure la teneur en vapeur d'eau et en oxygène, tandis que l'autre mesure la teneur en oxygène pur. En appliquant différentes tensions pour ioniser les ions oxygène et les mélanger à la vapeur d'eau, les teneurs en ions oxygène et en vapeur d'eau sont obtenues par mesure du courant. Résistant aux hautes températures et à la pollution, ce capteur fonctionne de manière stable même dans des environnements gazeux agressifs. Son principe et sa structure sont illustrés à la figure 4.
Figure (4) Structure d'un capteur d'humidité à flux ionique
L'analyseur d'humidité à flux d'ions 3D CI-PC196 se compose d'une sonde d'échantillonnage haute température et d'une unité de contrôle (voir figure 5). Cette unité de contrôle prend en charge les fonctions de rétrolavage et d'étalonnage automatiques. La sonde est équipée d'un système de traçage thermique pour prévenir la condensation interne et son extrémité est munie d'un filtre en acier inoxydable fritté ou en céramique.
Figure (5) CI-PC196 Hygromètre haute température
La sonde comprend un filtre primaire inséré dans la cheminée, un tube d'échantillonnage, une unité de purge et un capteur situé à l'extrémité extérieure de la cheminée, côté température ambiante. Les gaz de combustion à haute température sont extraits de la cheminée par une pompe à éjecteur entraînée par air comprimé. Ces gaz pénètrent par l'entrée du capteur et sont évacués par la sortie d'air. Le débit des gaz aspirés est régulé par le contrôle de la pression et du débit d'air comprimé. Cette sonde est un capteur d'oxygène de type courant, dont le principe de fonctionnement diffère de celui des sondes à concentration en zircone à insertion directe. À haute température, le matériau en zircone (ZrO₂) devient conducteur grâce à la migration des ions oxygène. Lorsque la température dépasse 650 °C, les ions oxygène migrent ; l'intensité du courant augmente proportionnellement à la concentration en oxygène et à l'accroissement du flux ionique.
Comparé aux capteurs d'humidité classiques à polymères, électrolytes et céramiques, cet instrument se distingue par sa conception structurelle, ses méthodes de test et son principe de fonctionnement, offrant ainsi des avantages remarquables : il présente une excellente résistance à la température et à la corrosion (le capteur fonctionne à plus de 600 °C), permettant son utilisation dans des environnements à haute température (supérieure à 200 °C). Il mesure l'humidité en fonction de la quantité de vapeur d'eau décomposée sous tension de décomposition, assurant ainsi une sélectivité supérieure. De plus, ce principe permet de mesurer simultanément l'humidité et la concentration en oxygène. Il est largement utilisé dans les secteurs de la protection de l'environnement, de l'imprimerie et de la teinture, du bois, des matériaux de construction, de la papeterie, de la chimie, des fibres et de la pharmacie, ainsi que dans la transformation et le stockage des produits alimentaires, du tabac, des légumes et des céréales.
>> Méthode d'oxygénation humide-sèche
Lorsque les capteurs d'oxygène intégrés au système CEMS sont utilisés pour mesurer la teneur en oxygène des gaz de combustion avant et après déshumidification, et pour calculer l'humidité des gaz de combustion, cette dernière est calculée à l'aide de la formule suivante :
Dans la formule (1), X'O2 représente le pourcentage volumique d'oxygène dans les gaz de combustion humides, %, et Xo2 représente le pourcentage volumique d'oxygène dans les gaz de combustion secs, %,.
Par exemple : si la concentration des gaz de combustion humides est de 6,8 % d’O2 et que la concentration des gaz de combustion secs après déshumidification est de 7,4 % d’O2, soit Xsw la teneur en humidité des gaz de combustion, alors
Le principal problème de la méthode de l'oxygène sec-humide réside dans la nécessité de deux instruments pour mesurer respectivement l'oxygène sec et l'oxygène humide. Les erreurs qui en résultent comprennent des erreurs d'échantillonnage dues à des points de prélèvement incohérents, ainsi que des erreurs cumulées liées à la dérive de mesure des deux instruments eux-mêmes. Il est difficile de corriger ces erreurs avec cette méthode.
Spectroscopie infrarouge
Dans la nature, chaque gaz absorbe la lumière de longueurs d'onde spécifiques. Lorsqu'un faisceau de lumière blanche (contenant toutes les composantes spectrales) traverse le gaz, la lumière émise est atténuée, voire dépourvue, de ces composantes spectrales spécifiques. En spectroscopie, la composition d'une substance peut être déterminée à partir des raies spectrales d'absorption du gaz. En analysant le degré d'absorption de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques par les raies spectrales d'absorption spécifiques d'un gaz donné, on peut calculer la concentration de ce gaz.
Il existe deux principales méthodes de mesure de l'humidité basées sur la spectroscopie d'absorption dans le proche infrarouge : la spectroscopie d'absorption par cavité résonante (CRDS) et la spectroscopie d'absorption par diode laser accordable (TDLAS). La spectroscopie d'absorption infrarouge repose sur le principe que l'absorption sélective de certaines longueurs d'onde infrarouges par les molécules de vapeur d'eau varie en fonction de leur concentration. Cependant, depuis la première proposition de Fowle concernant la mesure de l'humidité par infrarouge en 1912, les progrès dans ce domaine ont été lents en raison des limitations des techniques d'absorption infrarouge traditionnelles (absorption à large bande). Le développement rapide de la technologie de spectroscopie laser à semi-conducteurs (TDLAS) dans les années 1990 a permis l'émergence des analyseurs d'humidité des gaz de combustion haute température en ligne. Contrairement à la spectroscopie d'absorption infrarouge traditionnelle, la TDLAS utilise une absorption à bande étroite, car la largeur spectrale de la source laser à semi-conducteurs (inférieure à 0,0001 nm) est bien inférieure à l'élargissement des raies d'absorption du gaz.
Chaque molécule de gaz possède son propre spectre d'absorption intrinsèque. L'absorption se produit lorsque le spectre d'émission de la source lumineuse correspond au spectre d'absorption des molécules de gaz, et l'intensité d'absorption est corrélée à la fraction volumique du gaz. Lorsqu'un faisceau laser semi-conducteur d'intensité I₀ traverse le gaz à mesurer, la lumière est atténuée lors de sa traversée si le spectre de la source lumineuse couvre le spectre d'absorption des molécules de gaz. Selon la loi de Lambert-Beer, la relation entre l'intensité lumineuse émise I, l'intensité lumineuse incidente I₀ et la concentration volumique du gaz s'exprime comme suit :
Dans la formule :
I0 : Intensité lumineuse initiale ;
I : Intensité lumineuse résiduelle après absorption par la vapeur d'eau (H2O) dans l'échantillon de gaz ;
S : Coefficient d'absorption de l'eau (H2O) pour un laser à une longueur d'onde spécifique ;
L : Longueur du trajet optique ;
N : Quantité de molécules de vapeur d'eau le long du trajet optique, corrélée à la teneur en vapeur d'eau dans le gaz échantillon.
Par conséquent, la teneur en eau de l'échantillon gazeux peut être déterminée en mesurant l'intensité lumineuse initiale et l'intensité lumineuse après absorption. Grâce à la spécificité de la longueur d'onde du laser sélectionné, les résultats de mesure sont pratiquement insensibles à la présence d'autres gaz. De plus, le calcul basé sur le rapport I/I₀ permet de s'affranchir efficacement des influences dues aux variations d'intensité de la source lumineuse, de la réflectivité du miroir et des paramètres électriques.
Pour obtenir ou améliorer la sensibilité de détection et réduire le bruit 1/f du laser, la technologie TDLAS requiert généralement l'utilisation d'une détection spectrale modulée. Cette technique réduit considérablement l'impact du bruit laser sur les mesures grâce à une modulation haute fréquence. Parallèlement, en définissant une constante de temps élevée pour le détecteur sensible à la phase (qui détecte les composantes harmoniques), on obtient un filtre passe-bande très étroit, comprimant ainsi efficacement la bande passante du bruit. Les analyseurs d'humidité des gaz de combustion haute température développés à l'aide de la technologie TDLAS effectuent des mesures sans contact, éliminant ainsi l'empoisonnement du capteur et les interférences des gaz ambiants. Ils se caractérisent par un temps de réponse rapide, une grande précision de mesure, un long cycle d'étalonnage et un fonctionnement quasi sans entretien, leur principal inconvénient étant leur coût élevé. Cependant, l'utilisation de la méthode d'absorption infrarouge pour la mesure de l'humidité des gaz de combustion nécessite d'éviter les interférences des longueurs d'onde sensibles au CO₂/SO₂/NOₓ, ce qui présente certains défis. Compte tenu du coût élevé de l'instrument, cette méthode est actuellement rarement utilisée pour la mesure de l'humidité des gaz de combustion.
Comparaison de différents principes
| Éléments de comparaison | Méthode de jet à débit constant | Flux d'ions à double cellule | Méthode de la zircone | Méthode de résistance-capacité | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Plage de mesure | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Temps de réponse | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Afficher | Température du point de rosée : 20 à 100 °C | Concentration en oxygène : 0–100 % | Rapport volumique (H2O) : 0–100 % | Humidité relative (HR%) | Humidité relative (HR%) |
| Rapport volumique : 2 à 100 % | Rapport volumique (H2O) : 0–100 % | Rapport volumique 0–100% | Rapport volumique 0–100% | ||
| Humidité absolue : 15 à 1000 g/kg | |||||
| Pression de vapeur d'eau : 10 à 1000 hPa | |||||
| Valeur affichée | Valeur absolue | Valeur absolue | Valeur absolue | Valeur relative | Valeur relative |
| Température | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Précision | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| résistance chimique | Résistant | Résistant | Modéré | Non résistant | Résistant |
| Applicabilité | Tout mélange gazeux | Gaz de combustion, mélanges gazeux généraux | Mélanges d'air et de vapeur d'eau | Gaz de combustion, mélanges gazeux généraux | Gaz de combustion, mélanges gazeux généraux |
| Méthode de mesure | Échantillonnage continu | Échantillonnage in situ/continu | In situ | Échantillonnage in situ/continu | Échantillonnage in situ/continu |
| Durée de vie | 10 ans | 1 à 2 ans | 1 à 2 ans | 0,6 à 2 ans | ≥2 ans |
| Étalonnage | Aucun étalonnage requis, aucune dérive | Requis (étalonnage de l'oxygène) | Requis (étalonnage de l'oxygène) | Étalonnage sur site indisponible (nécessite un générateur d'humidité professionnel) | Étalonnage sur site indisponible (nécessite un générateur d'humidité professionnel) |
