Pengenalan dan pengembangan aplikasi penganalisis suhu dan kelembaban tinggi online gas buang

Pengenalan dan pengembangan aplikasi Analisis Suhu dan Kelembaban Tinggi Online Gas Buang

Kata pengantar

Pengukuran kelembaban gas buang pada gas buang sumber polusi tetap terutama bertujuan untuk mendapatkan kandungan oksigen berbasis kering guna menghitung kandungan aktual gas buang dan emisi polusi gas. Karena suhu gas buang basah yang tinggi, jumlah debu yang besar, dan perbedaan besar komponen gas buang dari boiler atau kiln industri yang digunakan di bidang industri seperti pembangkit listrik tenaga termal, pabrik petrokimia, pabrik pembakaran sampah, pabrik pembuatan baja, dll., selain itu, pengukuran kelembaban di dunia merupakan masalah yang sulit, sehingga deteksi kelembaban gas buang secara online sangat sulit. Dalam beberapa tahun terakhir, pengukuran suhu dan kelembaban gas buang domestik yang tinggi sebagian besar dilakukan secara manual, yaitu, sesuai dengan persyaratan GB/T 16157-1996 "Metode Penentuan Partikulat dan Pengambilan Sampel Polutan Gas dalam Gas Buang Sumber Polusi Tetap", metode penimbangan, metode kondensasi, dan metode bola kering-basah dipilih untuk menentukan, dan nilai rata-rata dimasukkan ke dalam sistem CEMS. Seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi serta semakin meningkatnya perhatian terhadap perlindungan lingkungan nasional, saat ini terdapat empat jenis metode pengukuran suhu dan kelembaban gas buang secara daring di Tiongkok: 1. Metode resistansi kapasitansi 2. Metode prinsip zirkonium oksida tipe arus batas 3. Metode injeksi benturan (bola kering dan basah) 4. Metode penyerapan spektrum inframerah.

1. Metode resistansi kapasitansi

Metode resistansi-kapasitansi yang digunakan dalam pengukuran suhu dan kelembaban tinggi gas buang di Tiongkok adalah metode kapasitansi. Sensor yang digunakan dalam metode ini sebagian besar menggunakan polimida sebagai bahan sensitif kelembaban. Kapasitansi sensitif kelembaban polimer yang terbuat dari bahan ini memiliki kinerja listrik yang baik, dan konstanta dielektrik serta kerugian dielektriknya sangat kecil. Konstanta dielektrik polimida adalah 2~3 dalam keadaan kering sempurna, dan konstanta dielektrik molekul air sekitar 80 pada 20°C. Konstanta dielektrik yang pulih setelah adsorpsi molekul air adalah:

εu=εr+aWuεh (1)

Wu=b(p/p0) εr+ aWuεh （2）

εu adalah konstanta dielektrik komposit kelembaban relatif u%RH, εr adalah kelembaban 0%RH, konstanta dielektrik film polimida, a, b adalah konstanta struktur, εh adalah konstanta dielektrik air yang terserap dalam film polimida, Wu adalah kelembaban u%RH, massa air yang terserap per satuan massa polimer, p/p0 adalah tekanan relatif uap air kesetimbangan. Ketika kapasitansi sensitif kelembaban makromolekul menyerap molekul air gas di lingkungan, konstanta dielektrik material berubah, sehingga menyebabkan nilai kapasitansi berubah; nilai kelembaban lingkungan yang sesuai dihitung dengan mengukur perubahan nilai kapasitansi. Saat ini, sensor kapasitansi—kapasitor sensitif kelembaban polimer yang digunakan dalam pengukuran suhu dan kelembaban tinggi pada gas buang mengadopsi struktur kapasitor datar, yang terutama terdiri dari substrat kaca, elektroda bawah, film sensitif kelembaban polimer, elektroda atas, dan sebagainya. Menurut rumus kapasitor datar, hubungan antara kapasitansi dan kelembaban relatif dapat dinyatakan sebagai

Gambar 1 Diagram Struktur Kapasitansi Polimer yang Sensitif terhadap Kelembaban

Nilai kapasitansi Ch adalah kapasitansi sensitif kelembaban, ε0 adalah konstanta dielektrik vakum, S adalah luas elektroda kapasitansi sensitif kelembaban, D adalah jarak antara elektroda kapasitansi sensitif kelembaban, dan juga ketebalan film sensitif kelembaban. Dari rumus (1), (2) dan (3), dapat dilihat bahwa hubungan antara kapasitas adsorpsi molekul air dari kapasitansi sensitif kelembaban dan tekanan relatif kesetimbangan uap air harus sesuai dengan isoterm adsorpsi Herry, yaitu, hubungan antara kapasitas kapasitansi dan kelembaban relatif bersifat linier.

Singkatnya, kita dapat melihat bahwa pengukuran kelembaban suhu tinggi mencerminkan kelembaban relatif dalam gas buang dengan metode volume resistansi, sesuai dengan definisi kelembaban relatif: Kelembaban relatif dapat dinyatakan sebagai rasio tekanan air terhadap tekanan uap air jenuh pada suhu dan tekanan tertentu. Menurut definisi tersebut, kelembaban relatif dan suhu sangat berkaitan, dalam aplikasi praktis, kita membutuhkan nilai kelembaban gas buang sebagai rasio volume, agar mudah menghitung kandungan oksigen kering dalam gas buang. Oleh karena itu, untuk menghitung rasio volume uap air dalam gas buang, perlu mengukur suhu lingkungan sensor kelembaban.

Berdasarkan penggunaan aktual alat pengukur kelembaban gas buang metode resistansi-kapasitansi, metode resistansi-kapasitansi memiliki karakteristik waktu respons cepat, volume kecil, dan tidak mudah rusak saat terjadi kondensasi air. Kekurangannya adalah suhu gas buang tidak boleh melebihi 170°C, semakin tinggi suhu, semakin mudah data akan berfluktuasi, dan kelembaban dengan rasio volume kurang dari 6% sulit diukur. Alasannya adalah kelembaban gas air (lebih dari 30°C) dengan rasio volume 0-40%, dengan tekanan air jenuh yang sesuai pada suhu (lebih dari 100°C), semakin besar kelembaban relatif, semakin kecil perubahan kapasitas yang sesuai. Namun, rentang atau resolusi perubahan kapasitansi terbatas. Ketiga, gas buang pembakaran limbah, gas buang metalurgi, dan sebagainya seringkali memiliki korosivitas tertentu, elektroda mudah rusak dan masa pakainya sangat singkat.

2. Metode prinsip pembatasan arus zirkonia

Jenis zirkonia arus terbatas bekerja dengan menggunakan prinsip pompa oksigen zirkonia.

Artinya, pertama-tama, elektrolit padat zirkonia dipanaskan hingga suhu tinggi (lebih dari 350°C), secara bersamaan, tegangan kerja diterapkan pada elektroda platinum di kedua sisi elektrolit padat zirkonia, molekul oksigen di sisi katoda dikatalisis menjadi ion oksigen dan didorong oleh tegangan yang diterapkan untuk 'dipompa' ke anoda. Arus keluaran sensor tidak meningkat seiring dengan peningkatan tegangan yang diterapkan ketika konsentrasi oksigen di atmosfer tertentu, tetapi mencapai nilai konstan, yang disebut nilai arus batas di bawah konsentrasi oksigen, dan umumnya disebut platform arus batas pertama I1. Menurut prinsip ini, dengan menempatkan sensor arus batas dalam lingkungan yang mengandung uap air dan meningkatkan tegangan yang diterapkan, nilai arus batas yang signifikan dapat diukur, yang umumnya dikenal sebagai tahap arus batas kedua I2, meskipun nilai arus ini mengandung molekul oksigen dan molekul air yang terionisasi. Kedua nilai arus batas tersebut masing-masing berbanding lurus dengan kandungan oksigen di lingkungan dan kandungan oksigen yang mengandung uap air. Mekanisme reaksi mikro zirkonia pada katoda dan anoda adalah sebagai berikut:

sisi katoda O2+4e-→2O2- (1)

H2O + 2e- → H2 + O2- (2)

Sisi anoda O2-→1/2O2+2e- (3)

Gambar 2 Struktur sensor zirkonium oksida tipe arus batas

Menurut aturan Fick batas lubang difusi gas pada sensor, dengan asumsi bahwa koefisien difusi oksigen dan uap air sama, kedua nilai arus batas dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dalam rumus tersebut: F adalah konstanta Faraday

D adalah koefisien difusi gas campuran

S adalah luas lubang pembatas arus (lubang difusi) zirkonium oksida.

P adalah tekanan total campuran gas.

R adalah konstanta gas

T adalah suhu operasi zirkonia (K)

L adalah panjang lubang difusi gas.

Kandungan oksigen dalam gas buang dapat dihitung berdasarkan arus batas pertama, dan kelembaban dalam gas buang dapat dihitung berdasarkan selisih antara arus batas kedua dan arus batas pertama. Oleh karena itu, penggunaan instrumen kelembaban berbasis prinsip arus batas oksida zirkonium memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan dengan prinsip instrumen kelembaban lainnya, karena sifatnya adalah pengukuran oksigen dan untuk mengukur kelembaban harus mengukur oksigen. Bagi pengguna, tidak perlu memasang penganalisis pengukuran oksigen, satu instrumen kelembaban dapat memberikan dua data pengukuran sekaligus.

Dari penggunaan aktual metode pengukur kelembaban berbasis prinsip zirkonium oksida arus batas, keuntungannya adalah volume kecil, akurasi pengukuran tinggi, suhu gas buang dapat diukur dari suhu normal hingga 500°C, dan kinerja biaya tinggi. Kerugiannya adalah mesin tidak dapat dioperasikan dalam air cair atau air yang mengandung banyak zat terlarut, dan mesin mudah terkontaminasi dalam atmosfer gas buang yang mengandung lebih banyak silikon dioksida atau logam berat seperti arsenik dan timbal.

Sebenarnya, ketika elektroda katalitik zirkonium oksida disebutkan, elektroda platinum biasanya dibutuhkan untuk desulfurisasi karena kandungan sulfur batubara yang tinggi di Cina. Namun, bagian depan dan belakang menara desulfurisasi seringkali perlu memantau gas buang, tetapi jika elektroda platinum zirkonia bekerja dalam lingkungan gas buang dengan kandungan SO2 tinggi untuk waktu yang lama, masa pakainya juga akan sangat terpengaruh. Oleh karena itu, dalam penggunaan praktis, seperti saluran masuk desulfurisasi, pemulihan sulfur gas alam, pembakaran limbah, dan sebagainya, elektroda zirkonium oksida yang menggunakan elektroda platinum mudah mengalami korosi. Dalam beberapa tahun terakhir, untuk mengatasi pengaruh atmosfer korosif terhadap masa pakai zirkonia tipe arus batas, sensor zirkonia yang diadopsi oleh pemancar kelembaban PC18 dari Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. telah melakukan inovasi yang berani. Elektroda katalitik zirkonia telah diganti dengan elektroda keramik, yang telah memecahkan masalah penerapan zirkonia tipe arus terbatas dalam kondisi pembakaran sampah medis, industri petrokimia, VOC, dan lain-lain secara bersamaan.

Pemancar kelembapan PC18

3. Metode jet tumbukan (bola kering-basah)

Prinsip dasar pengukuran kelembapan dengan metode bola kering-basah: Sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu gas buang sebagai suhu bola kering, kolam pengukur digunakan untuk memuat sejumlah air tertentu, kemudian sensor suhu ditempatkan di dalam kolam pengukur, dan sensor suhu tersebut harus ditempatkan di bawah permukaan air, lalu gas buang terus menerus mengenai permukaan air tepat di atas sensor suhu kolam pengukur, dan suhu yang terukur diambil sebagai suhu bola basah. Menurut prinsip perpindahan panas dan teori termodinamika, rumus matematika berikut dapat diturunkan:

dalam rumus:

kelembapan relatif %

Tekanan Air Jenuh pada Suhu Bola Basah

tekanan air jenuh pada suhu bola kering

tekanan atmosfer

perbedaan antara suhu bola kering dan basah

konstan, terkait dengan kecepatan angin

Berdasarkan rumus matematika di atas, kita dapat dengan jelas mengetahui bahwa metode injeksi dampak untuk mengukur kelembaban dalam gas buang dicapai melalui pengukuran tidak langsung suhu gas buang. Teknologi pengukuran suhu relatif matang dan dapat diandalkan. Bahkan jika kondisi kerja sangat buruk, perubahan suhu sensor sangat cepat.

Berdasarkan situasi aplikasi praktis di pabrik pemulihan sulfur gas alam, pabrik pengolahan makanan, pabrik tekstil, pabrik pembakaran sampah, dll., instrumen kelembaban suhu tinggi dengan metode penyemprotan benturan (bola kering-basah) memiliki masa pakai yang lama (saat ini telah digunakan selama lima tahun berturut-turut dan masih beroperasi normal), data yang diukur akurat dan dapat diandalkan, memiliki kemampuan adaptasi yang kuat terhadap lingkungan yang keras, rentang adaptasi suhu yang luas, dan perawatan yang minim. Kekurangannya adalah harganya tinggi, volumenya besar, dan air perlu ditambahkan secara teratur.

Meskipun metode injeksi benturan adalah prinsip kerja bola kering dan basah, namun bukan alat ukur kelembaban udara relatif yang umum digunakan oleh departemen meteorologi, seperti CI-PC39 dari Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. yang merupakan desain baru atau bahkan inovatif, untuk mencapai efek pengukuran tersebut.

Penganalisis kelembapan CI-PC39

4. Metode penyerapan inframerah

Penyerapan spektrum luas IR didasarkan pada prinsip bahwa penyerapan selektif molekul uap air terhadap panjang gelombang inframerah tertentu bervariasi dengan konsentrasinya. Namun, sejak tahun 1912 ketika Fowle pertama kali mengusulkan pengukuran kelembaban inframerah, pengukuran kelembaban berjalan lambat karena teknologi penyerapan spektrum luas yang terbatas oleh teknologi penyerapan inframerah tradisional. Dengan perkembangan pesat spektroskopi laser semikonduktor (DLAS) pada tahun 1990-an, penganalisis suhu dan kelembaban online untuk gas buang telah dikembangkan. Dibandingkan dengan spektroskopi penyerapan inframerah tradisional, teknik DLAS termasuk dalam penyerapan spektrum sempit, karena lebar spektrum (kurang dari 0,0001 nm) dari sumber laser semikonduktor jauh lebih kecil daripada pelebaran garis penyerapan gas. Setiap molekul gas memiliki spektrum penyerapan intrinsiknya, ketika spektrum emisi sumber cahaya bertepatan dengan spektrum penyerapan molekul gas, intensitas penyerapan berhubungan dengan fraksi volume gas. Dengan melihat basis data yang relevan, kita dapat menemukan bahwa penyerapan gas air sangat kuat di dekat garis penyerapan dengan panjang gelombang 1390nm dan tidak ada penyerapan interferensi yang jelas dari gas lain. Ketika laser semikonduktor dengan intensitas I0 melewati gas yang akan diukur, jika spektrum sumber cahaya mencakup spektrum penyerapan molekul gas, cahaya akan meluruh saat melewati gas. Menurut hukum Lambert-Beer, hubungan antara intensitas I cahaya keluar dan intensitas I0 cahaya datang serta konsentrasi volume gas adalah:

Dalam rumus (1), I dan I0 masing-masing adalah intensitas cahaya keluar dan datang; α(λ) adalah koefisien absorpsi medium dengan konsentrasi satuan dan panjang satuan pada panjang gelombang tertentu. C adalah konsentrasi gas yang akan diukur, L adalah jalur optik.

Untuk mendapatkan sensitivitas yang lebih tinggi dan mengurangi noise 1/f laser, teknik DLAS biasanya membutuhkan teknik deteksi spektrum modulasi. Teknik ini secara signifikan mengurangi pengaruh noise laser pada pengukuran dengan modulasi frekuensi tinggi. Pada saat yang sama, filter band-pass dengan bandwidth sempit dapat diperoleh dengan menetapkan konstanta waktu yang lebih besar untuk detektor sensitif fase yang digunakan dalam teknik deteksi sensitif fase (deteksi komponen harmonik), sehingga secara efektif menekan bandwidth noise.

Ketika alat analisis kelembaban suhu tinggi gas buang yang dikembangkan oleh DLAS digunakan untuk mengukur gas buang, penemuan ini termasuk dalam pengukuran non-kontak, yang tidak dapat disebabkan oleh keracunan sensor atau terganggu oleh gas latar belakang. Penemuan ini memiliki keunggulan waktu respons yang cepat, akurasi data pengukuran yang tinggi, periode kalibrasi yang panjang, dan hampir tanpa perawatan. Kekurangannya adalah harganya yang tinggi.

5. tren perkembangan

Seperti yang kita ketahui, komponen inti dari instrumen analitik online adalah sensor. Karena negara kita memulai perkembangannya terlambat, industri dasarnya masih lemah. Meskipun setelah bertahun-tahun pengembangan, produsen instrumen analitik domestik telah membuat kemajuan besar dalam menguasai teknologi inti, namun dibandingkan dengan negara asing masih terdapat kesenjangan yang sangat jelas. Sebagian besar produsen instrumen analitik domestik membeli sensor dari luar negeri dan kemudian mendesain instrumen kedua untuk memasuki pasar dengan persaingan harga yang homogen. Hal ini membuat orang sedih karena pasar instrumen analitik kelas bawah (pasar kelas atas hampir dimonopoli oleh negara asing). Dalam jangka panjang, hal ini akan memengaruhi atau menunda perkembangan industri instrumen analitik domestik.

Saat ini, karena alasan harga, instrumen kelembaban suhu tinggi online terutama menggunakan metode kapasitansi resistansi dan zirkonia tipe arus batas di pasaran. Instrumen kelembaban suhu tinggi berdasarkan prinsip metode jet tumbukan (bola kering-basah) dan metode penyerapan spektrum inframerah memiliki pangsa pasar yang sangat rendah. Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., melalui upaya jangka panjang dan tanpa henti, telah secara mandiri mengembangkan sensor oksida zirkonium tipe arus batas instrumen kelembaban suhu tinggi gas buang online tersebut dan metode injeksi tumbukan sebagai komponen inti—kolam pengukuran. Beberapa lembaga penelitian ilmiah domestik seperti China Electrical Science 49 juga dapat membuat sensor instrumen kelembaban suhu tinggi dengan metode kapasitansi resistansi, tetapi kinerjanya tidak stabil, jauh dari industrialisasi, dan saat ini pasar pada dasarnya dirancang di luar negeri. Dioda laser semikonduktor, komponen inti instrumen kelembaban suhu tinggi gas buang online dengan metode penyerapan spektrum inframerah, tidak dapat dibuat oleh produsen domestik. Hanya Jerman, Amerika Serikat, Belanda, dan beberapa negara lain yang dapat melakukannya. Kurangnya atau defisiensi teknologi inti membatasi pengembangan dan kemajuan instrumen suhu tinggi dan kelembaban gas buang online.

Di masa depan, pengembangan instrumen pengukur kelembaban suhu tinggi online gas buang akan dibatasi oleh berbagai faktor. Instrumen pengukur kelembaban dengan empat prinsip di atas akan tetap ada secara bersamaan. Dapat diprediksi bahwa instrumen pengukur kelembaban dengan metode kapasitas resistansi dan prinsip oksida zirkonium tipe arus batas akan semakin meningkatkan keandalan dan masa pakainya, sedangkan instrumen pengukur kelembaban dengan metode injeksi dampak akan semakin mengurangi volume, menurunkan biaya, dan meningkatkan pangsa pasar. Pengukur kelembaban penyerapan inframerah seharusnya menjadi yang paling menjanjikan, dan juga mewakili arah pengembangan instrumen analisis gas online. Namun, jika produsen dalam negeri tidak dapat menyelesaikan pengembangan dan produksi dioda laser semikonduktor, maka hal itu akan membatasi pengurangan biaya dan memengaruhi promosi pasar. Bahkan jika pemasok asing menurunkan harga, perusahaan dalam negeri hanya dapat bekerja untuk perusahaan asing, dan kemudian melakukan persaingan harga rendah di Tiongkok, serta berperang dalam perang harga. Kami berharap asosiasi industri dalam negeri untuk instrumen analitik daring atau departemen pemerintah terkait dapat mendorong kerja sama antar universitas, lembaga penelitian ilmiah, dan perusahaan, saling melengkapi keunggulan masing-masing, mematahkan monopoli produsen asing sedini mungkin, dan memungkinkan industri instrumen analitik Tiongkok bergerak menuju tingkat yang lebih tinggi.