फ्लू गैस नमी (आर्द्रता) के लिए ऑनलाइन निगरानी प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग -2
आयन प्रवाह (ज़िरकोनिया)
गहन सैद्धांतिक शोध और अनेक प्रयोगों के आधार पर यह सिद्ध हो चुका है कि आयन प्रवाह सेंसर सटीक आर्द्रता मापन कर सकते हैं। सेंसर के कैथोड और एनोड पर लगाए गए वोल्टेज को समायोजित करके आर्द्रता मापन किया जा सकता है। यह खोज इस समस्या का समाधान करती है कि पारंपरिक आर्द्रता सेंसर उच्च तापमान वाले वातावरण (जैसे 100°C से ऊपर) में प्रभावी ढंग से कार्य नहीं कर पाते हैं।
स्थिर ZrO2 के दोनों ओर प्लैटिनम इलेक्ट्रोड की परत चढ़ाई जाती है। कैथोड की ओर गैस विसरण छिद्रों से युक्त आवरण लगाकर कैथोड गुहा बनाई जाती है। एक निश्चित तापमान पर, ZrO2 के एनोड और कैथोड पर एक विशिष्ट परिचालन वोल्टेज लगाया जाता है, जिससे गुहा के भीतर ऑक्सीजन अणु कैथोड पर इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके ऑक्सीजन आयन (O2-) बनाते हैं। O2- ZrO2 में ऑक्सीजन रिक्तियों के माध्यम से एनोड की ओर प्रवाहित होते हैं, इलेक्ट्रॉन मुक्त करते हैं और ऑक्सीजन अणुओं में परिवर्तित होकर बाहर की ओर उत्सर्जित होते हैं। इस घटना को विद्युत रासायनिक पंप कहा जाता है। इस प्रकार, कैथोड गुहा में मौजूद ऑक्सीजन को ZrO2 इलेक्ट्रोलाइट द्वारा लगातार गुहा से बाहर निकाला जाता है, और ऑक्सीजन आयन कैथोड से ZrO2 के माध्यम से एनोड की ओर प्रवाहित होते हैं, जिससे ऑक्सीजन आयन धारा उत्पन्न होती है। जब मापे गए वातावरण में ऑक्सीजन की सांद्रता स्थिर होती है, तो ज़िरकोनिया सेंसर की आउटपुट धारा लगाए गए वोल्टेज में वृद्धि के साथ नहीं बढ़ती, बल्कि एक स्थिर मान पर पहुँच जाती है। इस स्थिर धारा मान को उस ऑक्सीजन सांद्रता के लिए सीमित धारा मान कहा जाता है, जिसे हम प्रथम सीमित धारा मान कहते हैं (जैसा कि चित्र 1-A में दिखाया गया है)। इस क्रियाविधि के आधार पर, जब मापे गए वातावरण में जल वाष्प मौजूद होती है, तो लगाए गए परिचालन वोल्टेज को बढ़ाने से जल वाष्प ऑक्सीजन आयनों में परिवर्तित हो जाती है। इसी प्रकार, जब मापे गए वातावरण में जल वाष्प की सांद्रता स्थिर होती है, तो ज़िरकोनिया सेंसर एक स्थिर धारा मान उत्पन्न करता है, जिसे द्वितीय सीमित धारा मान कहा जाता है (जैसा कि चित्र 1-B में दिखाया गया है)। प्रथम चरण की धारा मान I1 और द्वितीय चरण की धारा मान I2 क्रमशः ऑक्सीजन के आंशिक दाब और जल वाष्प युक्त वातावरण में ऑक्सीजन के आंशिक दाब के समानुपाती होती हैं।
सेंसर के कैथोड और एनोड पर होने वाली प्रतिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:
चित्र (2) आयन प्रवाह सिद्धांत
सेंसर के गैस विसरण छिद्रों द्वारा सीमित फिक के नियम के अनुसार, यह मानते हुए कि ऑक्सीजन का विसरण गुणांक जल वाष्प के विसरण गुणांक के बराबर है, प्रथम सीमित धारा I1 और द्वितीय सीमित धारा I2 को क्रमशः निम्नलिखित सूत्रों द्वारा व्यक्त किया जाता है:
सूत्र में:
F फैराडे स्थिरांक है और S विसरण छिद्रों का क्षेत्रफल है।
D मिश्रित गैस अणुओं का विसरण गुणांक है, P गैस मिश्रण का कुल दाब है।
PO2 ऑक्सीजन का आंशिक दाब है, जबकि PH2O जल वाष्प का आंशिक दाब है।
R गैस स्थिरांक है और T परम तापमान है।
L गैस विसरण छिद्रों की लंबाई है और 0.21 हवा में ऑक्सीजन की मात्रा है।
आयनिक सीमित धारा मान और ऑक्सीजन सांद्रता के बीच संबंध वक्र चित्र (3) में दर्शाया गया है:
फ्लू गैस में ऑक्सीजन की मात्रा की गणना प्रथम सीमित धारा के आधार पर की जा सकती है, जबकि फ्लू गैस में आर्द्रता की गणना द्वितीय और प्रथम सीमित धाराओं के अंतर के आधार पर की जा सकती है। इसलिए, सीमित धारा ज़िरकोनिया सिद्धांत पर आधारित आर्द्रता मीटर अन्य सिद्धांतों पर आधारित मीटरों की तुलना में अधिक लाभप्रद हैं। चूंकि इसका मुख्य कार्य ऑक्सीजन का पता लगाना है और आर्द्रता परीक्षण के लिए ऑक्सीजन का मापन आवश्यक है, इसलिए उपयोगकर्ताओं को अलग से ऑक्सीजन विश्लेषक लगाने की आवश्यकता नहीं होती है। एक ही आर्द्रता मीटर दोनों प्रकार के मापन डेटा एक साथ प्रदान कर सकता है।
>> सक्शन-टाइप 3डी आयन फ्लो ह्यूमिडिटी एनालाइजर
चीन में कई कंपनियां सक्शन-टाइप हाई-टेम्परेचर ह्यूमिडिटी एनालाइजर बनाती हैं। यहां चांग ऐ कंपनी के उत्पादों को एक उदाहरण के रूप में प्रस्तुत किया गया है।
संक्षारक वातावरणों के सेंसर इलेक्ट्रोडों पर पड़ने वाले प्रभाव को कम करने के लिए, चांग ऐ ने ज़िरकोनिया-प्लैटिनम उत्प्रेरक इलेक्ट्रोड सामग्री में सुधार किया है और नैनोकेमिकल संश्लेषण तकनीक के माध्यम से एक नई इलेक्ट्रोलाइट सामग्री विकसित की है। यह विधि अपशिष्ट भस्मीकरण संयंत्रों, अयस्क कैल्सीनेशन, सिरेमिक कारखानों और विद्युत संयंत्रों से निकलने वाली उच्च SO2 वाली फ्लू गैस में इलेक्ट्रोड के क्षरण और कम सेवा जीवन की समस्या का समाधान करती है। इसके अलावा, सीमित धारा सेंसरों की नींव पर, चांग ऐ ने एक ही चिप पर दोहरे ऑक्सीजन सेंसरों को सह-प्रज्वलित करके एक साहसिक नवाचार किया है, जिससे यह समस्या पूरी तरह से हल हो गई है कि एक एकल ऑक्सीजन सेंसर गतिशील ऑक्सीजन और इलेक्ट्रोलाइटिक गीली ऑक्सीजन को एक साथ नहीं माप सकता है।
3डी आयन प्रवाह उपकरण में दोहरी आयन प्रवाह संवेदन इकाई का उपयोग किया गया है। एक इकाई जल वाष्प और ऑक्सीजन की मात्रा मापती है, जबकि दूसरी इकाई शुद्ध ऑक्सीजन की मात्रा मापती है। ऑक्सीजन आयनों को आयनित करने और उन्हें जल वाष्प के साथ मिलाने के लिए अलग-अलग वोल्टेज लगाकर, धारा मापन के माध्यम से ऑक्सीजन आयनों और जल वाष्प की मात्रा प्राप्त की जा सकती है। उच्च तापमान प्रतिरोध और प्रदूषण-रोधी गुणों के कारण, यह सेंसर कठोर गैस वातावरण में भी स्थिर रूप से कार्य कर सकता है। इसका सिद्धांत और संरचना चित्र 4 में दर्शाई गई है।
चित्र (4) आयन प्रवाह आर्द्रता सेंसर की संरचना
CI-PC196 3D आयन फ्लो ह्यूमिडिटी एनालाइज़र में उच्च तापमान नमूना जांच उपकरण और उपकरण नियंत्रण इकाई शामिल हैं (जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है)। नियंत्रण इकाई स्वचालित बैकफ्लशिंग और स्वचालित अंशांकन कार्यों का समर्थन करती है। जांच उपकरण में संघनन को रोकने के लिए ऊष्मा अनुरेखण कार्यक्षमता मौजूद है, और इसके सिरे पर सिंटर्ड स्टेनलेस स्टील या सिरेमिक फिल्टर लगा होता है।
चित्र (5) सीआई-पीसी196 उच्च-तापमान आर्द्रता मीटर
इस प्रोब में फ्लू के अंदर डाला गया एक प्राथमिक फिल्टर, एक सैंपलिंग ट्यूब, एक पर्ज एग्जीक्यूशन यूनिट और फ्लू के बाहर सामान्य तापमान वाले सिरे पर स्थित एक सेंसर शामिल है। संपीड़ित वायु से चलने वाले इजेक्टर पंप द्वारा फ्लू से उच्च तापमान वाली फ्लू गैस निकाली जाती है। फ्लू गैस सेंसर के इनलेट से प्रवेश करती है और वायु आउटलेट से बाहर निकलती है। संपीड़ित वायु के दबाव और प्रवाह दर को नियंत्रित करके, खींची गई गैस की प्रवाह दर को नियंत्रित किया जा सकता है। यह प्रोब एक करंट-टाइप ऑक्सीजन सेंसर है जिसका कार्य सिद्धांत डायरेक्ट-इंसर्शन कंसंट्रेशन-टाइप ज़िरकोनिया प्रोब से भिन्न है। उच्च तापमान की स्थिति में, ऑक्सीजन आयनों के स्थानांतरण के कारण ज़िरकोनिया (ZrO2) पदार्थ चालक बन जाता है। जब तापमान 650°C से अधिक हो जाता है, तो ऑक्सीजन आयन स्थानांतरित होते हैं; जैसे-जैसे ऑक्सीजन की सांद्रता बढ़ती है, आयन प्रवाह में वृद्धि के साथ करंट भी आनुपातिक रूप से बढ़ता है।
परंपरागत पॉलिमर, इलेक्ट्रोलाइट और सिरेमिक आर्द्रता सेंसरों की तुलना में, यह उपकरण संरचनात्मक डिजाइन, परीक्षण विधियों और संचालन सिद्धांतों के मामले में पूरी तरह से भिन्न है, जिससे उल्लेखनीय लाभ मिलते हैं: यह उत्कृष्ट तापमान प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध प्रदर्शित करता है (सेंसर 600°C से अधिक तापमान पर काम करता है), जिससे इसे 200°C से ऊपर के उच्च तापमान वाले वातावरण में उपयोग किया जा सकता है। यह अपघटन वोल्टेज के तहत जल वाष्प के अपघटन की मात्रा के अनुसार नमी की मात्रा को मापता है, इस प्रकार बेहतर चयनात्मकता प्रदान करता है। इसके अलावा, यह सिद्धांत आर्द्रता और आउटपुट ऑक्सीजन सांद्रता को एक साथ माप सकता है। इसका व्यापक रूप से पर्यावरण संरक्षण, मुद्रण और रंगाई, लकड़ी, निर्माण सामग्री, कागज निर्माण, रसायन, फाइबर और फार्मास्युटिकल उद्योगों के साथ-साथ खाद्य, तंबाकू, सब्जियों और अनाजों के प्रसंस्करण और भंडारण क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।
>> गीली-सूखी ऑक्सीजन विधि
जब सीईएमएस प्रणाली में लगे ऑक्सीजन सेंसर का उपयोग विआर्द्रीकरण से पहले और बाद में द्रव गैस की ऑक्सीजन मात्रा को मापने और द्रव गैस में नमी की गणना करने के लिए किया जाता है, तो द्रव गैस की आर्द्रता की गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जाती है:
सूत्र (1) में, X´O2 गीली फ्लू गैस में ऑक्सीजन के आयतन प्रतिशत को दर्शाता है, %, और Xo2 शुष्क फ्लू गैस में ऑक्सीजन के आयतन प्रतिशत को दर्शाता है, %।
उदाहरण के लिए: यदि गीली फ्लू गैस की सांद्रता 6.8% O2 है, और विआर्द्रीकरण के बाद शुष्क फ्लू गैस का मान 7.4% O2 है, तो मान लीजिए कि Xsw फ्लू गैस की नमी की मात्रा को दर्शाता है, तो
शुष्क-गीली ऑक्सीजन विधि की मुख्य समस्या यह है कि इसमें शुष्क ऑक्सीजन और गीली ऑक्सीजन को मापने के लिए दो उपकरणों की आवश्यकता होती है। इसके परिणामस्वरूप होने वाली त्रुटियों में असंगत नमूना बिंदुओं के कारण होने वाली नमूना त्रुटियां, साथ ही दोनों उपकरणों में माप विचलन के कारण होने वाली अतिव्यापी त्रुटियां शामिल हैं। इस विधि से इन त्रुटियों को दूर करना कठिन है।
अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी
प्रकृति में, प्रत्येक गैस विशिष्ट तरंगदैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करती है। जब श्वेत प्रकाश की किरण (जिसमें सभी तरंगदैर्ध्य घटक होते हैं) गैस से होकर गुजरती है, तो निकलने वाला प्रकाश कमजोर हो जाता है या उसमें वे विशिष्ट तरंगदैर्ध्य घटक अनुपस्थित हो जाते हैं। स्पेक्ट्रोस्कोपी में, गैस के अवशोषण स्पेक्ट्रल रेखाओं की संरचना के आधार पर किसी पदार्थ के घटकों का निर्धारण किया जा सकता है। किसी विशिष्ट गैस की विशिष्ट अवशोषण स्पेक्ट्रल रेखाओं द्वारा विशिष्ट तरंगदैर्ध्य पर प्रकाश के अवशोषण की मात्रा का विश्लेषण करके, हम उस गैस की सांद्रता की गणना कर सकते हैं।
निकट-अवरक्त अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी पर आधारित आर्द्रता मापने की दो मुख्य विधियाँ हैं: कैविटी रिंग-डाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी (सीआरडीएस) और ट्यूनेबल लेजर डायोड अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (टीडीएलएएस)। अवरक्त अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी इस सिद्धांत पर आधारित है कि जल वाष्प अणुओं द्वारा विशिष्ट अवरक्त तरंग दैर्ध्य का चयनात्मक अवशोषण उनकी सांद्रता के साथ बदलता रहता है। हालाँकि, 1912 में फाउल द्वारा अवरक्त आर्द्रता माप का प्रस्ताव रखे जाने के बाद से, पारंपरिक अवरक्त अवशोषण तकनीकों (ब्रॉडबैंड अवशोषण) की सीमाओं के कारण आर्द्रता माप में प्रगति धीमी रही है। 1990 के दशक में सेमीकंडक्टर लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक (टीडीएलएएस) के तीव्र विकास ने वर्तमान ऑनलाइन उच्च-तापमान फ्लू गैस आर्द्रता विश्लेषकों के विकास को सुगम बनाया। पारंपरिक अवरक्त अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी की तुलना में, टीडीएलएएस संकीर्ण-बैंड अवशोषण का उपयोग करता है, क्योंकि सेमीकंडक्टर लेजर स्रोत की स्पेक्ट्रल चौड़ाई (0.0001 एनएम से कम) गैस अवशोषण रेखाओं के विस्तार की तुलना में बहुत कम होती है।
प्रत्येक गैस अणु का अपना अंतर्निहित अवशोषण स्पेक्ट्रम होता है। अवशोषण तब होता है जब प्रकाश स्रोत का उत्सर्जन स्पेक्ट्रम गैस अणुओं के अवशोषण स्पेक्ट्रम से मेल खाता है, और अवशोषण तीव्रता गैस के आयतन अंश के साथ सहसंबंधित होती है। जब I0 तीव्रता वाली अर्धचालक लेजर की किरण मापी जाने वाली गैस से होकर गुजरती है, तो प्रकाश गैस से गुजरते समय क्षीण हो जाता है यदि प्रकाश स्रोत का स्पेक्ट्रम गैस अणुओं के अवशोषण स्पेक्ट्रम को ढक लेता है। लैम्बर्ट-बीयर नियम के अनुसार, निर्गत प्रकाश तीव्रता I, आपतित प्रकाश तीव्रता I0 और गैस आयतन सांद्रता के बीच संबंध को निम्नानुसार व्यक्त किया जाता है:
सूत्र में:
I0: प्रारंभिक प्रकाश तीव्रता;
I: गैस के नमूने में जल वाष्प (H2O) द्वारा अवशोषण के बाद अवशिष्ट प्रकाश तीव्रता;
S: किसी विशिष्ट तरंगदैर्ध्य पर लेजर के लिए जल (H2O) का अवशोषण गुणांक;
L: प्रकाशीय पथ की लंबाई;
N: प्रकाशीय पथ के साथ जल वाष्प अणुओं की मात्रा, जो नमूना गैस में जल वाष्प की मात्रा से संबंधित है।
इसलिए, प्रारंभिक प्रकाश तीव्रता और अवशोषण के बाद की प्रकाश तीव्रता को मापकर गैस के नमूने में जल की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। चयनित लेजर तरंगदैर्ध्य विशिष्ट होने के कारण, मापन परिणाम अन्य गैसों से लगभग अप्रभावित रहते हैं। इसके अलावा, अनुपात I/I0 का उपयोग करके की गई गणना प्रकाश स्रोत की तीव्रता, दर्पण की परावर्तनशीलता और विद्युत मापदंडों में भिन्नता के कारण होने वाले प्रभावों को प्रभावी ढंग से समाप्त कर देती है।
उच्चतर पहचान संवेदनशीलता प्राप्त करने या उसमें सुधार करने और लेज़र के 1/f शोर को कम करने के लिए, TDLAS तकनीक में आमतौर पर मॉड्यूलेटेड स्पेक्ट्रल डिटेक्शन का उपयोग आवश्यक होता है। यह तकनीक उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के माध्यम से मापों पर लेज़र शोर के प्रभाव को काफी हद तक कम करती है। साथ ही, चरण-संवेदनशील पहचान (जो हार्मोनिक घटकों का पता लगाता है) में उपयोग किए जाने वाले चरण-संवेदनशील डिटेक्टर के लिए एक बड़ा समय स्थिरांक निर्धारित करके, एक बहुत ही संकीर्ण बैंडपास फ़िल्टर प्राप्त किया जा सकता है, जिससे शोर बैंडविड्थ को प्रभावी ढंग से संपीड़ित किया जा सकता है। TDLAS तकनीक का उपयोग करके विकसित फ्लू गैस उच्च-तापमान आर्द्रता विश्लेषक फ्लू गैस को मापते समय गैर-संपर्क माप करते हैं, जिससे सेंसर विषाक्तता और पृष्ठभूमि गैसों से हस्तक्षेप समाप्त हो जाता है। इनमें तीव्र प्रतिक्रिया समय, उच्च माप सटीकता, लंबा अंशांकन चक्र और लगभग रखरखाव-मुक्त संचालन जैसी विशेषताएं हैं, जबकि इनकी मुख्य कमी इनकी उच्च लागत है। हालांकि, फ्लू गैस आर्द्रता माप के लिए अवरक्त अवशोषण विधि का उपयोग करते समय, CO2/SO2/NOX के प्रति संवेदनशील तरंग दैर्ध्य से हस्तक्षेप से बचना आवश्यक है, जो कुछ चुनौतियां प्रस्तुत करता है। उपकरण की उच्च लागत के साथ, यह विधि वर्तमान में फ्लू गैस आर्द्रता माप के लिए शायद ही कभी उपयोग की जाती है।
विभिन्न सिद्धांतों की तुलना
| तुलना मदें | निरंतर प्रवाह जेटिंग विधि | दोहरी-सेल आयन प्रवाह | ज़िरकोनिया विधि | प्रतिरोध-धारिता विधि | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| माप श्रेणी | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| प्रतिक्रिया समय | T90＜90S(10～190 ग्राम/किग्रा) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| प्रदर्शन | ओस बिंदु तापमान: 20～100℃ | ऑक्सीजन सांद्रता: 0–100% | आयतन अनुपात (जल): 0–100% | सापेक्ष आर्द्रता (आरएच%) | सापेक्ष आर्द्रता (आरएच%) |
| आयतन अनुपात: 2～100% | आयतन अनुपात (जल): 0–100% | आयतन अनुपात 0–100% | आयतन अनुपात 0–100% | ||
| निरपेक्ष आर्द्रता: 15～1000 ग्राम/किलोग्राम | |||||
| जल वाष्प दाब: 10～1000 hPa | |||||
| प्रदर्शित मान | निरपेक्ष मान | निरपेक्ष मान | निरपेक्ष मान | सापेक्ष मूल्य | सापेक्ष मूल्य |
| तापमान | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| शुद्धता | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| रासायनिक प्रतिरोध | प्रतिरोधी | प्रतिरोधी | मध्यम | प्रतिरोधी नहीं | प्रतिरोधी |
| प्रयोज्यता | कोई भी गैस मिश्रण | फ्लू गैस, सामान्य गैस मिश्रण | हवा और जल वाष्प का मिश्रण | फ्लू गैस, सामान्य गैस मिश्रण | फ्लू गैस, सामान्य गैस मिश्रण |
| मापन विधि | निरंतर नमूनाकरण | मौके पर/निरंतर नमूनाकरण | बगल में | मौके पर/निरंतर नमूनाकरण | मौके पर/निरंतर नमूनाकरण |
| सेवा जीवन | 10 वर्ष | 1-2 वर्ष | 1-2 वर्ष | 0.6–2 वर्ष | ≥2 वर्ष |
| कैलिब्रेशन | किसी अंशांकन की आवश्यकता नहीं, कोई विचलन नहीं | आवश्यक (ऑक्सीजन अंशांकन) | आवश्यक (ऑक्सीजन अंशांकन) | साइट पर अंशांकन उपलब्ध नहीं है (इसके लिए एक पेशेवर आर्द्रता जनरेटर की आवश्यकता होती है) | साइट पर अंशांकन उपलब्ध नहीं है (इसके लिए एक पेशेवर आर्द्रता जनरेटर की आवश्यकता होती है) |
