Humidité des gaz de combustion avec source de pollution fixe

Dans le cadre de la surveillance classique des émissions de gaz de combustion, l'humidité de ces gaz est un paramètre important, mais aussi le plus difficile à mesurer avec précision. La mesure de l'humidité est elle-même influencée par d'autres facteurs (pression atmosphérique, température) et doit également composer avec des conditions difficiles telles que la température élevée, la forte concentration de poussières et d'humidité, la dépression et la corrosion.

De plus, l'étalonnage de l'humidité est complexe. En effet, la fabrication de générateurs d'humidité à haute température est difficile, ce qui affecte la précision des mesures en ligne. Pour vérifier et étalonner un hygromètre de gaz de combustion, il est nécessaire de disposer d'un dispositif capable de générer une source d'humidité standard et un étalon d'humidité. Une méthode de mesure de l'humidité permettant une mesure absolue peut servir de référence. Des gaz à humidité connue peuvent également servir de référence. La norme « Méthode d'échantillonnage des polluants particulaires et gazeux dans les gaz d'échappement d'une source de pollution fixe » (GB/T16157-1996) prescrit trois méthodes de mesure de l'humidité des gaz de combustion : la méthode de condensation, la méthode pondérale et la méthode de la bille sèche-humide. Ces méthodes servent de référence pour l'étalonnage des hygromètres. Par ailleurs, un générateur d'humidité, produisant une humidité constante à une température et une pression données, peut également être utilisé pour étalonner un hygromètre de gaz de combustion.

1. Introduction de la méthode de mesure de l'humidité des gaz de combustion

méthode de la balle sèche-humide

Les trois méthodes de référence d'humidité de la norme GB/T16157-1996 ne sont pas idéales en pratique. La méthode de la pesée et la méthode de condensation sont complexes, les conditions d'essai sont exigeantes et la durée de l'essai est longue. La méthode de la bille sèche-humide est simple, mais la marge d'erreur est importante.

Le principal problème de la mesure de l'humidité des gaz de combustion par la méthode de la boule sèche-humide est que la température des gaz de combustion est élevée, souvent supérieure à 100 °C, mais la température de la boule sèche ne peut pas atteindre la température réelle des gaz de combustion.

La température se situe généralement entre la température ambiante et celle des gaz de combustion, ce qui induit une erreur de mesure fixe. Zong Ningsheng estime que, pour mesurer l'humidité des gaz de combustion par la méthode des billes sèches et humides, il convient de prendre en compte les points suivants : effectuer les mesures lorsque l'indicateur de température se stabilise (5 à 10 minutes). La longueur du tube de prélèvement et l'épaisseur de sa paroi doivent être adaptées afin d'éviter une chute excessive de la température des gaz de combustion. En climat froid, il est recommandé d'utiliser des tubes de prélèvement chauffants.

Chang-Ai a amélioré le thermomètre à sphère sèche-humide et a chauffé le tube d'échantillonnage des gaz de combustion afin d'éviter les erreurs dues à l'atteinte du point de rosée par les gaz de combustion et à la condensation de la vapeur dans le tube d'échantillonnage.

Figure 1CI-PC39 Contour

En fonction de la température réelle des gaz de combustion au point de mesure, et en modifiant la température de chauffage du tube d'échantillonnage, on évite l'écart entre la température des gaz de combustion entrant dans la chambre à bulbe sec-humide et celle au point d'échantillonnage. La précision et la stabilité de l'hygromètre à bulbe sec-humide conçu spécifiquement ont été étudiées à l'aide de la méthode standard du bulbe sec-humide et de la méthode de pesée. Les résultats montrent que les données d'humidité mesurées par l'hygromètre sont fiables et efficaces, qu'il réagit rapidement aux variations d'humidité des gaz de combustion et qu'il peut fonctionner de manière continue et stable. Bien que le principe de fonctionnement du bulbe sec-humide repose sur la méthode du jet d'impact, il ne s'agit pas d'un instrument d'hygrométrie classique, comme ceux utilisés par les services météorologiques pour mesurer l'humidité relative de l'air. Cet hygromètre, de conception totalement nouvelle, voire innovante, a permis d'obtenir les résultats de mesure mentionnés ci-dessus. Son schéma représentatif est présenté figure 1.

L'ingénierie de mesure Chang-Ai a été appliquée avec succès aux procédés de mesure à haute température et forte humidité, ainsi qu'aux procédés impliquant des gaz corrosifs et poussiéreux. Dans de nombreux procédés, afin de garantir la qualité du produit, d'optimiser la consommation d'énergie ou de réduire les émissions, il est indispensable de surveiller et de contrôler l'humidité des gaz de procédé. Le CI-PC39 est un hygromètre de process répondant aux exigences industrielles les plus strictes, notamment en termes de résistance à la corrosion, de fonctionnement continu et d'insensibilité à l'encrassement.

Méthode de condensation

Le principe de la méthode de condensation consiste à prélever un certain volume de gaz d'échappement à la sortie de la cheminée et à le faire passer à travers un condenseur. La teneur en eau des gaz d'échappement est ensuite calculée en fonction de la quantité d'eau condensée et de la teneur en vapeur d'eau du gaz saturé sortant du condenseur. Le principe de la méthode pondérale est le même : un certain volume de gaz d'échappement est prélevé à la sortie de la cheminée, puis l'humidité qu'il contient est absorbée par un agent absorbant l'humidité à travers un tube absorbeur. La masse du tube absorbeur dans les gaz d'échappement correspond à la teneur en eau du volume de gaz d'échappement prélevé. Les deux méthodes sont similaires dans leur principe. La concentration massique d'humidité des gaz de combustion est obtenue directement en pesant l'humidité et en divisant le résultat par le volume échantillonné, puis en convertissant la concentration massique en pourcentage volumique.

La méthode de la bille sèche-humide est simple à mettre en œuvre et très adaptable. C'est une méthode de référence courante pour la mesure en ligne de l'humidité des gaz de combustion. Les méthodes de condensation et de pesée offrent une précision supérieure, mais leur mise en œuvre est complexe, exige un personnel qualifié et un temps d'essai long. De plus, elles ne conviennent pas à la mesure en ligne de l'humidité des gaz de combustion et ne peuvent être utilisées qu'en laboratoire, à des fins de comparaison avec les méthodes de mesure en ligne.

Méthode d'inhibition

Lorsqu'une substance est placée entre deux électrodes, la capacité entre ces électrodes varie lorsqu'elle absorbe de la vapeur d'eau. Le taux d'humidité des gaz de combustion peut être déterminé en mesurant cette variation de capacité du matériau absorbant l'humidité ; on parle alors de capteur d'humidité capacitif. Les capteurs d'humidité capacitifs traditionnels présentent toutefois des limitations en termes de sensibilité, d'hystérésis d'humidité, de coefficient de température et de stabilité à long terme.

L'invention concerne un humidimètre à gaz de combustion haute température, résistant aux variations de volume et faisant l'objet d'un brevet. Ce dispositif, un humidimètre à capacitance amélioré, présente une bonne résistance à la corrosion et une haute sensibilité. Il utilise un capteur d'humidité capacitif à film polymère.

Un capteur de température à résistance de platine est utilisé comme capteur d'humidité pour la compensation de température. Son principe de fonctionnement est illustré sur la figure 1 : la vapeur d'eau traverse l'électrode supérieure du capteur d'humidité capacitif à film polymère à haut poids moléculaire et atteint ce film. Grâce à la petite taille du capteur et à la très faible épaisseur du film polymère, le capteur réagit rapidement aux variations d'humidité ambiante.

Figure 2 Schéma fonctionnel du compteur d'eau avec résistance et capacité

La vapeur d'eau absorbée par le polymère modifie les caractéristiques diélectriques du capteur et sa capacité. Le signal de sortie du capteur d'humidité capacitif est converti en une tension, puis un signal de température est généré par le capteur de température pour assurer une compensation automatique de température. L'hygromètre mesure la teneur en eau dans une plage de 0 à 20 % ± 2 % à une température de fumée ≤ 180 °C.

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été menées sur la mise au point de supports de détection d'humidité plus performants. Parmi eux, les polymères organiques ont suscité un vif intérêt en raison de leur haute sensibilité, de leur rapidité de réponse et de leur faible hystérésis d'humidité. On distingue deux grandes catégories de supports sensibles à l'humidité : la série CAB (acétate-butyrate de cellulose) et la série P (polyimide).

Le capteur d'humidité capacitif à base de polymère organique était initialement fabriqué à partir d'acétate de cellulose et de ses dérivés. Actuellement, l'acétate de cellulose est le matériau le plus utilisé. La société japonaise Sakai a comparé les propriétés de divers dérivés de cellulose et étudié leurs propriétés de capacité, de température et d'isothermes d'absorption. Les résultats montrent que, pour obtenir un capteur d'humidité non hygroscopique, la quantité d'eau doit être limitée et les interactions intermoléculaires doivent être évitées. Il est proposé que l'acétate de cellulose, et plus particulièrement les éléments constitués d'électrodes en or poreux, présente non seulement une vitesse de réponse rapide, mais aussi une faible hystérésis hygroscopique.

Matsuguchi a proposé la synthèse de polymères à faible masse moléculaire comportant des groupes acétylène aux deux extrémités du polyimide. À l'état de polymère à faible masse moléculaire, une solution est dissoute, puis le film est déposé sur un substrat. Après chauffage, on obtient un polyimide à structure stéréoliée, peu soluble dans l'eau. Comme le matériau ne se sépare pas de l'eau lors de sa solidification et que la formation de micro-pores est difficile à sa surface, il s'agit d'un matériau hygrométrique présentant une bonne résistance à l'eau. Les résultats montrent que l'élément hygrométrique en polyimide modifié possède une vitesse de réponse rapide et une hystérésis quasi nulle. Le coefficient de température est faible, la résistance aux solvants (acétone) est bonne et la stabilité est considérablement améliorée.

Chen Xingzhu a proposé un nouveau type de capteur d'humidité à film diélectrique composite capacitif. Ce film diélectrique est composé de deux types de PI (CAB) présentant des caractéristiques de réponse linéaire et de température différentes. Comparé aux matériaux PI et CAB pris individuellement, le matériau composite présente une faible hystérésis, une faible erreur non linéaire et un faible coefficient de température, et offre une nette amélioration de la répétabilité et de la stabilité à long terme. Il ouvre de nouvelles perspectives pour la conception fonctionnelle des matériaux diélectriques des capteurs d'humidité capacitifs. Un exemple de ce capteur est présenté figure 3.

Figure 3 Profil du capteur de point de rosée CI-XS200

Les principaux avantages de la méthode capacitive sont sa haute sensibilité, sa rapidité de réponse, sa facilité de fabrication et sa miniaturisation et intégration aisées. Actuellement, les instruments de mesure d'humidité en ligne pour les gaz de combustion sont largement utilisés en Chine, mais leur stabilité à long terme laisse à désirer et la plupart des appareils subissent une dérive importante, entraînant des pannes et des dommages. Les capteurs d'humidité capacitifs présentent une faible résistance à la corrosion, ce qui exige souvent un environnement de travail plus propre. Certains produits peuvent encore présenter des problèmes tels que des défaillances dues à la foudre ou à l'électricité statique. En résumé, cette méthode est en constante amélioration.

Méthode de limitation de courant

D'après une étude théorique approfondie, étayée par de nombreuses expériences, l'utilisation d'un capteur à flux ionique permet une mesure précise de l'humidité. En modulant la tension appliquée à la cathode et à l'anode du capteur, il est possible de mesurer l'humidité. Cette découverte résout le problème de l'inadaptation des capteurs d'humidité classiques aux environnements à haute température (par exemple, supérieure à 100 °C).

Une tension de fonctionnement est appliquée à l'anode et à la cathode de la zircone afin de créer un champ électrique qui entraîne la migration des ions oxygène de la cathode vers l'anode, générant ainsi un courant d'ions oxygène à travers la zircone. Lorsque la concentration d'oxygène dans l'atmosphère mesurée est connue, l'intensité du courant du capteur de zircone ne varie plus avec la tension appliquée et atteint une valeur constante. Cette valeur constante est appelée courant limite de concentration d'oxygène, ou première valeur limite. Selon le principe de fonctionnement, lorsque l'atmosphère mesurée contient de la vapeur d'eau, l'augmentation de la tension appliquée provoque également l'ionisation de cette vapeur d'eau en ions oxygène. Lorsque la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère mesurée est fixée, le capteur de zircone délivre un courant constant, appelé deuxième valeur limite.

Figure 4 La relation entre le courant limite et la tension appliquée

Figure 5. Diagramme de la courbe du courant limite de sortie du capteur sous vapeur d'eau

La réaction à la cathode et à l'anode du capteur est la suivante :

Côté cathodique ：O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Côté anode : O2- → 1/2O2+2e- (6)

Selon la règle de Ficks relative à la limite de diffusion des gaz du capteur, le premier courant limite I1 et le second courant limite I2 sont respectivement représentés par la formule suivante, sous la condition que le coefficient de diffusion de l'oxygène soit égal au coefficient de diffusion de la vapeur d'eau :

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Dans la formule : F est la constante de Faraday, D est le coefficient de diffusion de la molécule de gaz mélangé, S est la surface de l'orifice de diffusion, P est la pression totale du gaz mélangé, PO2 est la pression partielle, PH2O est la pression partielle de la vapeur d'eau, R est la constante des gaz parfaits, T est la température absolue, L est la longueur de l'orifice de diffusion du gaz, 0,21 est la teneur en oxygène dans l'air.

Le domaine d'application de la mesure de l'humidité par courant ionique est le suivant :

La société Chang Ai Co., Ltd., en collaboration avec le Dr Zhang Yi Can (Chinois, premier à avoir introduit en Chine le capteur à zircone de type courant extrême) et son équipe, sous la direction de Yang Bang Chao, directeur de l'Institut de microélectronique et des matériaux solides de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chengdu, a été pionnière dans l'application des capteurs à courant ionique à la mesure des températures et de l'humidité élevées. En 2006, elle a lancé le GRL-12, un instrument de mesure de l'humidité et de la température basé sur un capteur à flux ionique (Figure 5). Avant les Jeux olympiques verts de 2008, de nombreuses applications dans des cokeries du Shanxi et des centrales thermiques pour la surveillance des émissions ont permis à cette entreprise chinoise de contribuer activement à la protection et au contrôle de l'environnement. En plus de dix ans de développement, la société Chang'ai a développé un grand nombre d'instruments d'analyse d'humidité basés sur des capteurs à flux d'ions, tels que le transmetteur d'humidité de la série CI-PC18, le moniteur d'humidité du sol CI-PC19, l'analyseur d'humidité haute température de la série CI-PC168, le système de détection d'humidité pour l'industrie alimentaire CI-PC193 et ​​le système d'analyse d'humidité haute température de la série CI-PC196, qui représentent la figure du produit, voir Figure 6.

Figure 6 Profil de l'hygromètre haute température CI-PC18

Structure du capteur :

Figure 6 Structure du capteur d'humidité à flux d'ions 3D

Ces produits sont largement utilisés dans les domaines de la protection de l'environnement, de l'imprimerie et de la teinture, du bois, des matériaux de construction, de l'industrie papetière, de l'industrie chimique, des fibres et de la pharmacie, ainsi que dans l'industrie de transformation et de stockage des produits alimentaires, du tabac, des légumes et des céréales.

méthode à l'oxygène sec-humide

Le capteur d'oxygène du système CEMS sert à mesurer la teneur en oxygène avant et après la déshumidification des gaz de combustion. Le calcul de l'humidité des gaz de combustion s'effectue selon la formule suivante :

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

Dans la formule (1), X et O2 sont le pourcentage volumique d'oxygène dans les gaz de combustion humides, %, et Xo2 est le pourcentage volumique d'oxygène dans les gaz de combustion secs, %,.

Le principal problème lié à la mesure de l'oxygène sec et humide réside dans la nécessité d'utiliser deux instruments distincts. L'erreur due à la différence des points d'échantillonnage et aux erreurs d'échantillonnage est la suivante : les erreurs des deux instruments se superposent. Il est difficile de corriger ces erreurs avec cette méthode.

absorption infrarouge

La spectroscopie d'absorption est une technique importante pour la mesure moderne de l'humidité, notamment dans les domaines de l'infrarouge et de l'ultraviolet. Actuellement, la technologie de mesure basée sur le spectre d'absorption du proche infrarouge est plus mature et offre une meilleure précision, une sensibilité accrue et une plage de mesure supérieure aux méthodes d'analyse d'humidité traditionnelles.

La méthode d'absorption infrarouge repose sur le principe que l'eau absorbe fortement la lumière infrarouge à une longueur d'onde spécifique. Le degré d'absorption varie en fonction de la teneur en eau et obéit à la loi de Lambert-Beer. En mesurant la transmittance du gaz à la longueur d'onde d'absorption et à une longueur d'onde de référence, le rapport des transmittances à ces deux longueurs d'onde détermine la teneur en vapeur d'eau du gaz. Wan Jia Rong a constaté que les longueurs d'onde d'absorption les plus couramment utilisées sont 1,45 μm et 1,94 μm, et les longueurs d'onde de référence les plus fréquemment utilisées sont 1,73 μm et 2,1 μm.

Il existe deux méthodes de mesure de l'humidité basées sur la spectroscopie d'absorption dans le proche infrarouge : la spectroscopie d'atténuation résonante par diode laser (CRDS) et la spectroscopie d'absorption par diode laser accordable (TLDAS). Le résonateur CRDS, de structure simple et de petite taille, assure un renouvellement rapide du gaz, ce qui le rend particulièrement adapté aux mesures en ligne. La TLDAS est une technologie de mesure du spectre d'absorption relativement mature, utilisée dans le domaine de la micro-mesure de l'humidité. Elle présente l'avantage d'une sensibilité élevée et d'une réponse rapide.

Cependant, la méthode d'absorption infrarouge utilisée dans la mesure de l'humidité des gaz de combustion doit éviter l'interférence des longueurs d'onde sensibles au CO2/SO2/NOX, ce qui est difficile, et compte tenu du prix élevé de l'instrument, elle est donc rarement utilisée dans la mesure de l'humidité des gaz de combustion.

Générateur d'humidité haute température

La température des gaz de combustion étant généralement élevée (environ 80 °C à 120 °C), les générateurs d'humidité classiques, qui produisent une humidité constante à température ambiante, peinent à garantir une température stable en fonctionnement, même à haute température. L'utilisation d'un générateur d'humidité à température ambiante pour l'étalonnage d'un hygromètre à haute température s'avère souvent inadaptée, limitant considérablement la recherche et les applications de la mesure de l'humidité à haute température. Les capteurs d'humidité capacitifs, sensibles à la température en plus de l'humidité ambiante, sont particulièrement sujets à la dérive thermique, d'où la nécessité de développer un générateur d'humidité adapté aux hautes températures.

Le générateur d'humidité haute température permet de produire une humidité stable à haute température. C'est un dispositif d'étalonnage pratique et intuitif pour les instruments de mesure d'humidité des gaz de combustion. Zhang Wen Dong a développé un générateur d'humidité de précision haute température basé sur le principe de la méthode à double température et double pression. Des tests de stabilité thermique ont été menés à 50 °C, 100 °C et 150 °C pendant 2 heures. Les résultats des tests de stabilité thermique du réservoir d'huile du saturateur et de la chambre d'essai ont montré une variation inférieure à 0,02 °C. L'incertitude théorique maximale du dispositif est de ±1,09 HR. La précision du dispositif a été vérifiée par des tests comparatifs avec un hygromètre à pesée. Ce dispositif peut être utilisé pour la correction des capteurs et transmetteurs d'humidité haute température.

2. Résumé

La mesure de l'humidité des gaz de combustion constitue un problème reconnu. La méthode de la bille sèche-humide, considérée comme la méthode de référence dans la norme nationale, est sujette à erreurs. Les méthodes de condensation et de pesée offrent une grande précision, mais leur mise en œuvre est complexe et elles ne peuvent être utilisées qu'en laboratoire. En Chine, les systèmes de mesure continue de l'humidité des gaz de combustion (CEMS) utilisent deux méthodes de mesure en ligne : la méthode capacitive et la méthode du courant limite. Ces deux méthodes font appel à des capteurs d'humidité électroniques. Leurs perspectives d'application sont vastes, mais leur résistance à la pollution et leur stabilité à long terme doivent être améliorées. Cependant, la méthode de l'oxygène sec-humide présente une marge d'erreur importante et la méthode d'absorption infrarouge est coûteuse, ce qui explique sa faible utilisation. De plus, les générateurs d'humidité à température ambiante peinent à répondre aux exigences d'étalonnage des instruments de mesure de l'humidité des gaz de combustion. Le développement de générateurs d'humidité à haute température est donc nécessaire et représente un véritable défi technique.