Kelembaban gas buang dengan sumber polusi tetap

Dalam pemantauan emisi gas buang konvensional, kelembaban gas buang merupakan parameter penting, dan juga yang paling sulit diukur secara akurat. Pengukuran kelembaban itu sendiri dipengaruhi oleh faktor lain (tekanan atmosfer, suhu), pengukuran kelembaban gas buang juga perlu menghadapi suhu tinggi, debu tinggi, kelembapan tinggi, tekanan negatif, dan masalah korosi.

Selain itu, kalibrasi kelembaban merupakan masalah yang sulit. Alasannya adalah sulitnya memproduksi generator kelembaban suhu tinggi, sehingga memengaruhi pengukuran kelembaban instrumen pengukur online. Untuk memverifikasi dan mengkalibrasi instrumen kelembaban gas buang, harus ada perangkat yang mampu menghasilkan sumber kelembaban standar dan standar kelembaban. Metode pengukuran kelembaban yang mampu melakukan pengukuran kelembaban absolut dapat digunakan sebagai referensi kelembaban. Gas dengan kelembaban yang diketahui juga dapat digunakan sebagai patokan kelembaban. Standar "Metode Pengambilan Sampel Polutan Partikulat dan Gas dalam Gas Buang Sumber Polusi Tetap" (GB/T16157-1996) menetapkan tiga jenis metode pengukuran kelembaban gas buang: metode kondensasi, metode berat, dan metode bola kering-basah, yang digunakan sebagai metode referensi pengukuran kelembaban gas buang dan dapat digunakan untuk mengkalibrasi instrumen kelembaban gas buang. Selain itu, generator kelembaban menghasilkan kelembaban konstan pada suhu dan tekanan tertentu, dan juga dapat digunakan untuk mengkalibrasi meter kelembaban gas buang.

1. Pengenalan metode pengukuran kelembaban gas buang

Metode bola kering-basah

Tiga metode referensi kelembaban dalam standar GB/T16157-1996 tidak ideal dalam aplikasi praktis. Metode berat dan metode kondensasi kompleks, kondisi pengujiannya tinggi, dan waktu pengujiannya lama. Metode bola kering-basah sederhana, tetapi kesalahannya besar.

Masalah utama pengukuran kelembaban gas buang dengan metode bola kering-basah adalah suhu gas buang yang tinggi, seringkali lebih tinggi dari 100°C, namun suhu bola kering tidak dapat mencapai suhu gas buang yang sebenarnya.

Suhu biasanya berada di antara suhu lingkungan dan suhu gas buang, sehingga menghasilkan kesalahan pengukuran tetap. Zong Ningsheng percaya bahwa ketika mengukur kelembaban gas buang dengan menggunakan metode bola kering-basah, operasi berikut harus dipertimbangkan: Ketika indikator suhu stabil dan tidak lagi naik, pembacaan dapat dilakukan (5-10 menit). Pipa penghubung antara pipa pengambilan sampel dan termometer kering dan basah harus lebih pendek, dan dinding pipa tidak boleh tipis, agar suhu gas buang tidak turun terlalu drastis. Di iklim dingin, tabung pengambilan sampel yang dipanaskan harus digunakan.

Chang-Ai menyempurnakan termometer bola kering-basah dan tabung pengambilan sampel gas buang yang dipanaskan untuk menghindari kesalahan akibat gas buang mencapai titik embun dan kondensasi uap di dalam tabung pengambilan sampel.

Gambar 1CI-PC39 Garis Besar

Berdasarkan suhu gas buang aktual di titik pengukuran, dengan mengubah suhu pemanasan tabung pengambilan sampel, perbedaan antara suhu gas buang yang masuk ke ruang bola kering-basah dan suhu gas buang di titik pengambilan sampel dapat dihindari. Akurasi dan stabilitas higrometer bola kering-basah buatan sendiri diselidiki dengan menggunakan metode bola kering-basah standar dan metode berat. Hasilnya menunjukkan bahwa data kelembaban yang diukur oleh alat pengukur kelembaban ini dapat diandalkan dan efektif, serta memiliki respons yang sensitif terhadap perubahan kelembaban gas buang, dan dapat bekerja secara terus menerus dan stabil. Meskipun metode jet tumbukan adalah prinsip kerja bola kering dan basah, ini bukanlah instrumen kelembaban umum yang mirip dengan yang digunakan oleh departemen cuaca untuk mengukur kelembaban relatif udara. Instrumen kelembaban ini merupakan desain baru atau bahkan inovatif, untuk mencapai hasil pengukuran di atas, gambar produk representatifnya ditunjukkan pada Gambar 1.

Teknologi pengukuran Chang-Ai telah berhasil diterapkan pada proses pengukuran suhu tinggi dan kelembaban tinggi, serta proses dengan gas korosif dan mengandung debu. Dalam banyak proses, untuk memastikan kualitas produk, penggunaan energi yang efisien, atau untuk mencapai tujuan pengurangan emisi, diperlukan pemantauan dan pengendalian kelembaban gas proses. CI-PC39 adalah meter kelembaban proses untuk persyaratan industri yang paling ketat, termasuk ketahanan terhadap korosi, pengoperasian berkelanjutan, dan tidak sensitif terhadap pengotoran.

Metode kondensasi

Prinsip metode kondensasi adalah sejumlah volume gas buang diekstraksi dari cerobong asap untuk melewati kondensor, dan kandungan air dalam gas buang dihitung berdasarkan jumlah air yang terkondensasi dan kandungan uap air dari gas jenuh yang dikeluarkan dari kondensor. Prinsip metode berat adalah sejumlah volume gas buang diekstraksi dari cerobong asap sehingga uap air dalam gas buang diserap oleh tabung penyerap uap air melalui tabung penyerap uap air yang diisi dengan zat penyerap uap air, dan berat tabung penyerap uap air dalam gas buang adalah komponen air yang terkandung dalam volume gas buang yang diketahui. Kedua metode ini serupa dalam prinsipnya. Konsentrasi massa kelembaban gas buang diperoleh langsung dengan menimbang kandungan uap air dan membaginya dengan volume sampel, kemudian konsentrasi massa tersebut diubah menjadi persentase volume.

Metode bola kering-basah mudah dioperasikan dan memiliki kemampuan adaptasi yang kuat. Ini adalah metode referensi pengukuran online yang umum untuk kelembaban gas buang. Metode kondensasi dan metode berat memiliki akurasi yang lebih tinggi, tetapi pengujiannya rumit, membutuhkan banyak tenaga kerja, waktu pengujiannya lama, dan metode ini tidak cocok untuk pengukuran kelembaban gas buang secara online, dan hanya dapat digunakan sebagai metode laboratorium dan metode pengukuran online untuk uji perbandingan.

Metode penghambatan

Ketika suatu zat ditempatkan di antara sepasang elektroda, kapasitansi antara elektroda akan berubah ketika zat tersebut menyerap uap air. Kandungan kelembapan gas buang dapat diperoleh dengan mengukur perubahan kapasitansi bahan penyerap kelembapan, yang disebut sensor kelembapan kapasitif. Instrumen kelembapan kapasitif tradisional memiliki beberapa masalah dalam hal sensitivitas sensor, histeresis kelembapan, koefisien suhu, dan stabilitas jangka panjang.

Invensi ini berkaitan dengan alat pengukur kelembaban gas buang suhu tinggi tahan volume online dari produk paten, yang merupakan alat pengukur kelembaban metode kapasitansi yang disempurnakan, dan memiliki ketahanan korosi yang baik serta sensitivitas tinggi. Alat ini menggunakan sensor kelembaban kapasitansi film polimer.

Sebagai sensor kelembapan, sensor suhu resistansi platinum digunakan untuk kompensasi suhu. Prinsip kerjanya ditunjukkan pada Gambar 1, uap air melewati elektroda atas sensor kelembapan kapasitansi film molekul tinggi, dan mencapai film polimer aktif molekul tinggi. Karena ukuran sensor kecil dan film polimer sangat tipis, sensor dapat merespons dengan cepat perubahan kelembapan lingkungan sekitarnya.

Gambar 2 Diagram Blok Prinsip Kerja Meter Air dengan Resistansi dan Kapasitas

Uap air yang terserap dalam polimer mengubah karakteristik dielektrik sensor dan mengubah nilai kapasitansi sensor, mengubah sinyal keluaran sensor kelembaban kapasitif menjadi nilai tegangan, dan mengeluarkan sinyal tegangan suhu melalui sensor suhu untuk melakukan kompensasi suhu otomatis. Pengukur kelembaban dapat mengukur kadar air dalam kisaran 0~20%±2% pada suhu asap ≤180°C.

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian telah dilakukan untuk mencari media pendeteksi kelembaban yang lebih baik. Di antaranya, material polimer organik telah menarik banyak perhatian karena sensitivitasnya yang tinggi, respons yang cepat, dan histeresis kelembaban yang kecil. Terdapat dua jenis utama material media sensitif kelembaban: seri CAB (selulosa asetat butirat) dan seri P (polimida).

Sensor kelembaban kapasitif polimer organik awalnya terbuat dari selulosa asetat dan turunannya. Saat ini, selulosa asetat paling banyak digunakan. Japan Sakai telah membandingkan sifat berbagai turunan selulosa dan mempelajari sifat kapasitansi, suhu, dan isoterm absorpsi. Hasilnya menunjukkan bahwa untuk membuat sensor kelembaban non-higroskopis, jumlah air harus dibatasi dan interaksi antar molekul tidak boleh terjadi. Diusulkan bahwa material selulosa asetat, terutama elemen yang terbuat dari elektroda emas berpori, tidak hanya memiliki kecepatan respons yang cepat, tetapi juga memiliki histeresis higroskopis yang kecil.

Matsuguchi mengusulkan sintesis polimer rendah dengan gugus asetilena di kedua ujung polimida. Dalam keadaan polimer rendah, larutan digunakan untuk melarutkan, dan film dilapisi pada substrat untuk membentuk lapisan film, dan setelah pemanasan, polimida dengan struktur ikatan stereo diperoleh, yang tidak mudah larut dalam air. Karena material tidak terpisah dari air saat mengeras, dan sulit untuk membentuk lubang mikro pada film yang mengeras, maka material ini merupakan material sensitif kelembaban dengan ketahanan air yang baik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa elemen sensitif kelembaban dari polimida yang dimodifikasi memiliki kecepatan respons yang cepat dan hampir tidak ada histeresis. Koefisien suhu kecil, ketahanan terhadap pelarut (aseton) juga baik, dan stabilitasnya sangat meningkat.

Chen Xingzhu mengusulkan jenis baru sensor kelembaban film dielektrik komposit kapasitif. Film dielektriknya terdiri dari dua jenis PI (CAB) yang memiliki karakteristik keluaran linier dan suhu yang berbeda. Dibandingkan dengan material tunggal PI dan CAB, material komposit ini memiliki histeresis kecil, kesalahan non-linier kecil, dan koefisien suhu kecil, serta peningkatan yang jelas dalam pengulangan dan stabilitas jangka panjang. Hal ini memberikan ide baru untuk desain fungsional material dielektrik sensor kelembaban kapasitif. Gambar produk representatifnya ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Profil sensor titik embun CI-XS200

Keunggulan utama metode kapasitansi adalah sensitivitas tinggi, respons cepat, pembuatan yang mudah, kemudahan realisasi miniaturisasi dan integrasi. Saat ini, instrumen kelembaban online gas buang di Tiongkok memiliki banyak aplikasi, tetapi stabilitas jangka panjangnya belum ideal, dan sebagian besar penggunaan jangka panjang mengalami penyimpangan yang serius, menyebabkan kegagalan dan kerusakan. Sensor kelembaban kapasitif memiliki ketahanan korosi yang lebih rendah, yang seringkali membutuhkan kebersihan lingkungan yang lebih tinggi. Beberapa produk masih memiliki beberapa fenomena seperti kegagalan akibat cahaya dan kegagalan elektrostatik. Singkatnya, ini adalah metode yang terus ditingkatkan.

Metode arus batas

Menurut studi teoritis mendalam, melalui sejumlah besar eksperimen, penggunaan sensor aliran ion dapat mencapai pengukuran kelembaban yang akurat. Dengan mengubah tegangan yang diterapkan pada katoda dan anoda sensor, kelembaban dapat diukur. Temuan ini memecahkan masalah bahwa sensor kelembaban biasa tidak dapat beradaptasi dengan lingkungan suhu tinggi (misalnya, lebih tinggi dari 100°C).

Tegangan operasi diterapkan pada anoda dan katoda zirkonia untuk menghasilkan medan listrik yang mendorong ion oksigen dari katoda membentuk arus ion oksigen melalui zirkonia ke anoda. Ketika konsentrasi oksigen dalam atmosfer yang diukur tertentu, nilai arus sensor zirkonia tidak meningkat seiring dengan peningkatan tegangan yang diterapkan, mencapai nilai konstan. Nilai arus konstan ini disebut nilai arus batas konsentrasi oksigen, yang kita sebut nilai arus batas pertama. Menurut prinsip kerja, ketika atmosfer yang diukur mengandung uap air, dengan meningkatkan tegangan yang diterapkan, uap air juga terionisasi menjadi ion oksigen, dan ketika konsentrasi uap air dalam atmosfer yang diukur tetap, sensor zirkonia mengeluarkan nilai arus konstan, yang disebut nilai arus batas kedua.

Gambar 4 Hubungan Antara Arus Batas dan Tegangan yang Diberikan

Gambar 5 Diagram Kurva Arus Batas Keluaran Sensor di Bawah Uap Air

Reaksi pada katoda dan anoda sensor adalah sebagai berikut:

Sisi katoda ：O2+4e- →2O2- (4)

H2O + 2e- → H2 + O2- (5)

Sisi anoda：O2- → 1/2O2+2e- (6)

Menurut aturan Fick batas difusi gas pada sensor, arus batas pertama I1 dan arus batas kedua I2 masing-masing diwakili oleh rumus berikut dengan kondisi bahwa koefisien difusi oksigen sama dengan koefisien difusi uap air:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Dalam rumus tersebut: F adalah konstanta Faraday, D adalah koefisien difusi molekul gas campuran, S adalah luas lubang difusi, P adalah tekanan total gas campuran, PO2 adalah tekanan parsial, PH2O adalah tekanan parsial uap air, R adalah konstanta gas, T adalah suhu absolut, L adalah panjang lubang difusi gas, 0,21 adalah kandungan oksigen di udara.

Rentang aplikasi pengukuran kelembaban arus ion adalah:

Chang Ai Co., Ltd., bekerja sama dengan Dr. Zhang Yi Can (warga negara Tiongkok, orang pertama yang memperkenalkan sensor zirkonia tipe arus ekstrem ke Tiongkok) dan timnya, Yang Bang Chao, direktur Institut Mikroelektronika dan Material Padat Universitas Sains dan Teknologi Elektronik Chengdu, mempelopori penerapan sensor arus ion dalam pengukuran suhu dan kelembaban tinggi. Pada tahun 2006, perusahaan ini pertama kali memperkenalkan instrumen suhu dan kelembaban tinggi GRL-12 berdasarkan sensor aliran ion (Gambar 5), dan sebelum Olimpiade Hijau 2008, sejumlah besar aplikasi untuk pabrik kokas di Shanxi, pemantauan emisi pembangkit listrik tenaga termal, untuk perlindungan dan pemantauan lingkungan telah menjadikan perusahaan domestik ini sebagai perusahaan yang bertanggung jawab dan berkontribusi. Dalam pengembangan selama lebih dari sepuluh tahun, Perusahaan Chang'ai telah mengembangkan sejumlah besar instrumen analisis kelembaban berdasarkan sensor aliran ion, seperti pemancar kelembaban seri CI-PC18, monitor kelembaban tanah CI-PC19, penganalisis kelembaban suhu tinggi seri CI-PC168, sistem deteksi kelembaban industri makanan CI-PC193, sistem analisis kelembaban suhu tinggi seri CI-PC196, yang diwakili oleh gambar produk, lihat Gambar 6.

Gambar 6 Profil Higrometer Suhu Tinggi CI-PC18

Struktur sensor:

Gambar 6 Struktur sensor kelembaban aliran ion 3D

Produk-produk ini banyak digunakan di bidang perlindungan lingkungan, percetakan dan pewarnaan, kayu, bahan bangunan, industri pembuatan kertas, industri kimia, serat dan farmasi, serta industri pengolahan dan penyimpanan makanan, tembakau, sayuran, dan biji-bijian.

Metode oksigen kering-basah

Sensor oksigen pada sistem CEMS digunakan untuk mengukur kandungan oksigen sebelum dan sesudah dehumidifikasi gas buang. Saat menghitung kandungan uap air dalam gas buang, kelembapan gas buang dihitung berdasarkan rumus berikut:

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

Dalam rumus (1), X dan O2 adalah persentase volume oksigen dalam gas buang basah, %, dan Xo2 adalah persentase volume oksigen dalam gas buang kering, %.

Masalah utama pada pengukuran oksigen kering dan basah adalah dibutuhkannya dua instrumen untuk mengukur oksigen kering dan basah secara terpisah. Kesalahan yang disebabkan oleh perbedaan titik pengambilan sampel dan kesalahan pengambilan sampel adalah sebagai berikut: Kesalahan kedua instrumen tersebut saling tumpang tindih. Kesalahan-kesalahan ini sulit diatasi dengan metode ini.

Penyerapan inframerah

Spektroskopi absorpsi merupakan teknik penting dalam pengukuran kelembaban modern, termasuk absorpsi inframerah dan ultraviolet. Saat ini, teknologi pengukuran berdasarkan spektrum absorpsi inframerah dekat telah menjadi lebih matang, akurasi pengukuran, sensitivitas, dan jangkauan pengukurannya lebih baik daripada metode analisis kelembaban tradisional.

Metode penyerapan inframerah menggunakan prinsip bahwa air menyerap cahaya inframerah dengan kuat pada panjang gelombang tertentu, kandungan air yang berbeda akan memengaruhi tingkat penyerapan cahaya, dan mematuhi hukum Lambert-Beer. Dengan mengukur transmitansi gas pada panjang gelombang penyerapan dan panjang gelombang referensi, rasio transmitansi kedua panjang gelombang tersebut merupakan fungsi dari kandungan uap air dalam gas. Wan Jia Rong telah menemukan bahwa panjang gelombang penyerapan yang paling umum digunakan adalah 1,45 μm dan 1,94 μm, dan panjang gelombang referensi yang umum digunakan adalah 1,73 μm dan 2,1 μm.

Terdapat dua jenis metode pengukuran kelembaban berdasarkan spektroskopi absorpsi inframerah dekat: spektroskopi atenuasi resonansi dioda laser (CRDS) dan spektroskopi absorpsi dioda laser yang dapat disetel (TLDAS). Resonator CRDS memiliki struktur yang sederhana dan ukuran yang kecil, yang memastikan penggantian gas yang cepat, sehingga CRDS sangat cocok untuk pengukuran secara daring. TLDAS adalah teknologi pengukuran spektrum absorpsi yang relatif matang, yang telah digunakan di bidang pengukuran kelembaban mikro, dan memiliki keunggulan sensitivitas tinggi dan respons cepat.

Namun, metode penyerapan inframerah yang digunakan dalam pengukuran kelembaban gas buang perlu menghindari interferensi panjang gelombang sensitif CO2/SO2/NOX, yang sulit dilakukan, ditambah dengan harga instrumen yang tinggi, sehingga jarang digunakan dalam pengukuran kelembaban gas buang.

Generator kelembaban suhu tinggi

Karena suhu gas buang umumnya lebih tinggi, yaitu sekitar 80°C~120°C, sementara generator kelembaban biasa menghasilkan kelembaban konstan pada suhu normal, bahkan jika kelembaban konstan terjadi pada suhu tinggi, sulit untuk memastikan bahwa suhu dapat tetap konstan selama penggunaan. Seringkali sulit untuk memenuhi persyaratan jika menggunakan generator kelembaban suhu normal untuk mengkalibrasi meter kelembaban gas buang suhu tinggi, yang membawa batasan besar pada penelitian dan aplikasi pengukuran kelembaban suhu tinggi. Terutama sensor kelembaban kapasitif, sensor kelembaban sensitif terhadap suhu selain kelembaban lingkungan, dan mudah menghasilkan pergeseran suhu, sehingga perlu dikembangkan generator kelembaban suhu tinggi.

Generator kelembaban suhu tinggi dapat menghasilkan kelembaban stabil pada suhu yang lebih tinggi. Ini adalah perangkat kalibrasi yang praktis dan intuitif untuk instrumen kelembaban gas buang. Zhang Wen Dong mengembangkan seperangkat generator kelembaban presisi suhu tinggi dengan menggunakan prinsip metode suhu ganda dan tekanan ganda. Percobaan stabilitas suhu dilakukan pada suhu 50°C, 100°C, dan 150°C. Durasi percobaan adalah 2 jam. Hasil uji stabilitas suhu tangki minyak saturator dan ruang uji berada dalam batas 0,02°C. Ketidakpastian teoritis maksimum perangkat adalah ±1,09RH. Akurasi perangkat diverifikasi oleh hasil uji higrometer metode berat. Perangkat ini dapat digunakan untuk mengoreksi sensor dan pemancar kelembaban suhu tinggi.

2. Ringkasan

Pengukuran kelembaban gas buang merupakan masalah yang sudah dikenal. Metode bola kering-basah sebagai metode referensi yang ditetapkan dalam standar nasional mudah menghasilkan kesalahan. Metode kondensasi dan metode berat memiliki presisi tinggi, tetapi pengoperasiannya kompleks, dan hanya dapat digunakan sebagai metode laboratorium. Metode pengukuran kelembaban gas buang secara online yang digunakan dalam sistem CEMS di Tiongkok adalah metode kapasitansi dan metode arus batas. Kedua metode ini termasuk sensor kelembaban elektronik. Prospek aplikasinya luas, tetapi ketahanan terhadap polusi dan stabilitas jangka panjang perlu ditingkatkan. Namun, metode oksigen kering-basah memiliki kesalahan yang besar, dan metode penyerapan inframerah mahal, sehingga penggunaannya lebih sedikit. Generator kelembaban suhu normal juga sulit memenuhi persyaratan kalibrasi instrumen kelembaban gas buang. Pengembangan generator suhu dan kelembaban tinggi sangat diperlukan dan juga merupakan masalah teknis.