Aplikasi Teknologi Pemantauan Online untuk Kelembaban (Kelembapan) Gas Buang
Teknologi Sensor Sel Bahan Bakar
Emisi gas buang dari berbagai pembakar, boiler industri dan komersial telah menyebabkan polusi atmosfer yang parah. Pemantauan gas beracun dan berbahaya dalam gas buang merupakan aspek penting dari upaya perlindungan lingkungan. Sistem Pemantauan Emisi Berkelanjutan (Continuous Emission Monitoring Systems/CEMS) telah muncul untuk mengatasi kebutuhan ini, yang umumnya mengukur polutan gas buang berdasarkan kondisi gas buang kering. Namun demikian, gas buang yang dikeluarkan secara industri bukanlah gas kering yang ideal dan selalu mengandung sejumlah uap air. Oleh karena itu, kelembapan gas buang telah menjadi parameter pengukuran penting dalam pemantauan sumber polusi gas buang, dan akurasi pengukurannya secara langsung memengaruhi perhitungan total emisi dan konsentrasi polutan, serta evaluasi efisiensi sistem pemurnian gas buang.
Selain itu, kalibrasi kelembaban juga merupakan tantangan yang signifikan. Hal ini disebabkan oleh kesulitan dalam pembuatan generator kelembaban suhu tinggi, yang memengaruhi ketertelusuran nilai pengukuran dari instrumen kelembaban online. Untuk memverifikasi dan mengkalibrasi meter kelembaban gas buang, sangat penting untuk memiliki perangkat yang mampu menghasilkan sumber kelembaban standar, serta tolok ukur dan standar kelembaban. Metode pengukuran kelembaban yang mampu menentukan kelembaban absolut dapat berfungsi sebagai tolok ukur kelembaban, dan gas dengan tingkat kelembaban yang diketahui juga dapat berfungsi sebagai tolok ukur kelembaban. Standar "Penentuan partikulat dan metode pengambilan sampel polutan gas yang dikeluarkan dari gas buang sumber stasioner" (GB/T 16157-1996) menetapkan tiga metode untuk mengukur kelembaban gas buang: metode bola basah-kering, metode kondensasi, dan metode gravimetri. Berfungsi sebagai metode referensi untuk deteksi kelembaban gas buang, ketiga metode ini dapat digunakan untuk mengkalibrasi meter kelembaban gas buang. Selain itu, generator kelembaban dapat menghasilkan gas lembap konstan di bawah kondisi suhu dan tekanan tertentu, dan juga dapat digunakan untuk mengkalibrasi meter kelembaban gas buang. Seiring dengan kemajuan teknologi dan peningkatan penekanan negara pada perlindungan lingkungan, saat ini terdapat empat metode utama untuk pengukuran kelembaban gas buang suhu tinggi secara daring di Tiongkok: metode injeksi aliran konstan (bola basah-kering), metode resistansi-kapasitansi, metode aliran ion berbasis zirkonia (arus pembatas), dan metode penyerapan spektral inframerah.
Pengantar Metode Pengukuran Kelembaban Gas Buang
>> Metode Bola Basah-Kering
Metode bola basah dan bola kering mengukur kelembaban relatif udara berdasarkan efek perbedaan antara suhu bola basah dan bola kering. Molekul air menguap dari permukaan bola basah menjadi uap air, yang perlu menyerap panas laten penguapan. Penguapan terus-menerus menyerap panas dari permukaan dan mendinginkan bola basah. Tingkat pendinginan ditentukan oleh kelembaban relatif udara sekitar, tekanan atmosfer, dan kecepatan angin. Jika tekanan atmosfer dan kecepatan angin tetap konstan, semakin tinggi kelembaban relatif, semakin rendah laju penguapan air dari permukaan bola basah, dan semakin kecil suhu permukaan bola basah yang merupakan perbedaan antara suhu bola basah dan suhu bola kering; sebaliknya, semakin besar perbedaan antara suhu bola basah dan bola kering. Dengan demikian, dengan mengukur perbedaan antara suhu bola basah dan bola kering dan menentukan hubungan antara kelembaban relatif dan perbedaan suhu ini, kelembaban relatif dapat dihitung.2,3
>> Prinsip Pengukuran Kelembaban dengan Metode Bola Basah-Kering
Menurut prinsip perpindahan panas dan kelembapan, ketika keseimbangan termal dan kelembapan tercapai, jumlah perpindahan panas Q1 dari udara ke bola basah sama dengan panas laten Q2 yang dibutuhkan untuk penguapan kelembapan dari kasa, yaitu: Q1 = Q2 (1)
Berdasarkan prinsip perpindahan panas: Q1=α（t-tw）F (2)
Dalam rumus tersebut: α adalah koefisien pertukaran panas antara udara dan permukaan air bola basah, W/m2 ·℃; t adalah suhu bola kering, °C; tw adalah suhu bola basah, °C; F adalah luas permukaan bola basah, m².
Menurut prinsip perpindahan uap air dan hukum penguapan Dalton, massa air yang menguap berbanding lurus dengan defisit saturasi uap air di udara sekitar dan luas area penguapan, dan berbanding terbalik dengan tekanan atmosfer pada saat itu. Oleh karena itu, laju pertukaran uap air[4] dapat dinyatakan sebagai:
Dalam rumus tersebut: W adalah laju pertukaran uap air, kg/s; r adalah kalor laten penguapan, J/kg; β adalah koefisien pertukaran uap air, kg/(m²·s·Pa); F adalah luas permukaan bola basah, m²; B adalah tekanan atmosfer aktual, Pa; P´q,b adalah tekanan parsial uap air jenuh pada suhu bola basah, Pa; Pq adalah tekanan parsial uap air di udara, Pa.
Diperoleh dari Rumus (1), (2) dan (3):
Dalam rumus tersebut: koefisien psikrometer
Oleh karena itu, kelembaban relatifnya adalah:
Metode bola basah-kering yang digunakan untuk memantau gas buang dari sumber polusi umumnya menggunakan dua termokopel identik sebagai elemen pengukur suhu, satu untuk mengukur suhu bola kering dan yang lainnya untuk suhu bola basah. Elemen pengukur suhu bola kering ditempatkan di dalam aliran gas buang utama, sedangkan elemen pengukur suhu bola basah dibungkus dengan kain kasa katun yang dihubungkan ke wadah air. Bola basah dan gas buang di sekitarnya diperlakukan sebagai satu sistem, tanpa mempertimbangkan konduksi panas radiasi. Perangkat pengukuran kadar air otomatis, berdasarkan prinsip bola kering-basah, menggunakan mikroprosesor untuk mengontrol sensor yang mengukur dan mengumpulkan parameter seperti suhu permukaan bola basah dan bola kering, serta tekanan di permukaan bola basah dan tekanan statis gas buang. Perangkat ini menghitung tekanan uap air jenuh pada suhu permukaan bola basah dan, dikombinasikan dengan tekanan atmosfer masukan, secara otomatis menghitung kadar air gas buang menggunakan rumus.
1-Cerobong Asap;
2. Termometer bola kering;
3. Termometer bola basah;
4-Tabung pengambilan sampel berinsulasi;
5-Pengukur tekanan vakum;
6-Rotameter;
7-Pompa penghisap udara
>> Metode Penyemprotan Aliran Konstan
Metode penyemprotan aliran konstan (bola basah-kering). Prinsip dasar pengukuran kelembaban bola basah-kering: sensor suhu (5) mengukur suhu gas buang sebagai suhu bola kering, dan sel pengukuran (3) diisi dengan sejumlah air tertentu. Air dalam tangki air (1) terus menerus disuplai ke sel pengukuran oleh pompa selang (2). Permukaan air dalam sel pengukuran dipantau oleh sensor, dan tekanan di dalam sel juga dideteksi oleh sensor untuk memastikan akurasi pengukuran dan memantau cairan. Sensor suhu (6) dipasang di dalam sel pengukuran dan perlu diposisikan di bawah permukaan air. Gas buang kemudian disemprotkan terus menerus dengan laju aliran konstan tepat di atas permukaan air dalam sel pengukuran, dan suhu yang terdeteksi diambil sebagai suhu bola basah (lihat Gambar 2). Berdasarkan prinsip perpindahan panas dan termodinamika, rumus matematika berikut dapat disimpulkan:
Dalam rumus tersebut
U—Kelembapan relatif %;
etw—Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah;
et—Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering;
P—Tekanan atmosfer;
∆t—Perbedaan suhu antara suhu bola kering dan suhu bola basah;
A—Konstanta yang berhubungan dengan kecepatan angin.
Higrometer Suhu Tinggi Jetting Aliran Konstan Chang Ai
CI-PC39 dari Chang Ai telah berhasil diterapkan pada proses pengukuran suhu tinggi dan kelembaban tinggi, serta dalam proses yang melibatkan gas korosif dan berdebu. Dalam banyak proses industri, pemantauan dan pengendalian kelembaban gas proses sangat diperlukan untuk memastikan kualitas produk, mengoptimalkan efisiensi energi, atau memenuhi target pengurangan emisi. CI-PC39 adalah higrometer proses yang dirancang untuk memenuhi persyaratan aplikasi industri yang paling ketat, termasuk pengukuran kelembaban dalam media keras dengan ketahanan korosi (seperti pabrik pembakaran limbah, asam sulfat, asam fluorida, atau aqua regia). Fitur-fiturnya meliputi data pengukuran yang akurat dan andal, rentang adaptasi suhu yang luas, beban perawatan yang rendah, dan masa pakai yang lama. Kekurangannya meliputi harga yang tinggi, ukuran yang besar, dan kebutuhan pengisian ulang air secara berkala.
Berdasarkan rumus matematika di atas, kita dapat melihat dengan jelas bahwa metode jetting arus konstan untuk mengukur kelembaban dalam gas buang dicapai melalui pengukuran tidak langsung suhu gas buang. Produk representatifnya ditunjukkan pada Gambar (3).
Teknologi pengukuran suhu relatif matang dan andal. Bahkan dalam kondisi kerja yang sangat berat, penggantian sensor suhu di tempat dapat dilakukan dengan mudah. Meskipun metode penyemprotan aliran konstan adalah prinsip kerja bola basah-kering, metode ini tidak sama dengan higrometer yang umum digunakan di pasaran oleh departemen meteorologi untuk mengukur kelembaban relatif udara. Higrometer ini telah mencapai hasil pengukuran tersebut melalui desain inovatif yang benar-benar baru—bahkan revolusioner.
Metode Kondensasi
Prinsip metode kondensasi adalah sebagai berikut: sejumlah volume gas buang diekstraksi dari cerobong dan dialirkan melalui kondensor. Kandungan uap air dalam gas buang dihitung dengan menjumlahkan jumlah air yang terkondensasi dan jumlah uap air yang terkandung dalam gas jenuh yang dikeluarkan dari kondensor.
● Kondensor, lihat Gambar (1)
● Perangkat pengambilan sampel debu cerobong: Terdiri dari alat pengambilan sampel debu cerobong (mampu mengukur tr, tv, Pr, Qrw, pengaturan waktu n dan fungsi pengeringan gas), tabung pengambilan sampel dan pompa udara.
>> Prosedur Deteksi
● Hubungkan kondensor ke pipa air dingin atau letakkan langsung di dalam air es, kemudian hubungkan seluruh sistem seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan periksa seluruh sistem untuk kebocoran gas;
● Metode pemeriksaan kebocoran gas: sumbat selang karet antara tabung pengambilan sampel dan kondensor, lalu nyalakan pompa udara. Ketika tekanan negatif yang ditunjukkan oleh pengukur tekanan sebelum flowmeter mencapai 6,6 kPa (50 mmHg), segel selang karet antara flowmeter dan pompa udara dan hentikan pemompaan. Jika indikator pengukur tekanan tidak turun lebih dari 0,2 kPa (1,5 mmHg) dalam waktu 1 menit, sistem kedap udara.
Gambar (2) Sistem Pengukuran dan Pengambilan Sampel Kelembaban
| Reaksi reduksi katodik | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| Reaksi oksidasi anodik | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Seperti yang terlihat dari persamaan reaksi elektroda di atas, tidak ada konsumsi sel elektrolitik atau elektroda. Oleh karena itu, pengguna tidak perlu mengganti elektroda atau sel elektrolitik selama pengoperasian; mereka hanya perlu secara berkala mengisi ulang air suling dan elektrolit (elektrolit berkurang karena penguapan alami). Hal ini berbeda dengan sensor oksigen sel bahan bakar yang disebutkan sebelumnya, yang umumnya perlu diganti setiap 1 hingga 2 tahun.
Saat memperkenalkan sensor oksigen tipe sel bahan bakar alkali, ditekankan bahwa sensor tersebut tidak boleh digunakan dalam aplikasi di mana gas yang diukur mengandung komponen asam. Sensor oksigen elektrolitik Delta F menggunakan larutan KOH alkali sebagai elektrolitnya. Untuk mengatasi interferensi yang disebabkan oleh gas asam dan mencegah korosi elektroda, sepasang elektroda bantu Stab-EL dirancang di dalam sensor. Fungsi elektroda bantu ini adalah untuk menghilangkan gas-gas berbahaya tersebut setelah gas sampel yang mengandung gas asam masuk ke dalam sel elektrolitik, sehingga mencegah kerusakan pada sensor dan memastikan keakuratan pembacaan penganalisis.
Gambar 6-4 Diagram skematik sensor oksigen jejak Delta F
