Applicazioni della tecnologia di monitoraggio online dell'umidità dei gas di scarico
Tecnologia dei sensori per celle a combustibile
Le emissioni di gas di scarico provenienti da vari bruciatori e caldaie industriali e commerciali hanno causato un grave inquinamento atmosferico. Il monitoraggio dei gas tossici e nocivi presenti nei gas di scarico è un aspetto importante delle attività di tutela ambientale. Per rispondere a questa esigenza sono nati i Sistemi di Monitoraggio Continuo delle Emissioni (CEMS), che generalmente quantificano gli inquinanti presenti nei gas di scarico sulla base di condizioni di gas di scarico secchi. Tuttavia, i gas di scarico industriali non sono gas secchi ideali e contengono sempre una certa quantità di umidità. Pertanto, l'umidità dei gas di scarico è diventata un parametro di misurazione essenziale nel monitoraggio delle fonti di inquinamento da gas di scarico, e la precisione della sua misurazione influisce direttamente sul calcolo delle emissioni e delle concentrazioni totali di inquinanti, nonché sulla valutazione dell'efficienza dei sistemi di depurazione dei gas di scarico.
Inoltre, la calibrazione dell'umidità rappresenta una sfida significativa. Ciò è dovuto alla difficoltà di produrre generatori di umidità ad alta temperatura, che influisce sulla tracciabilità dei valori di misurazione provenienti da strumenti di misurazione dell'umidità in linea. Per verificare e calibrare gli igrometri dei gas di scarico, è essenziale disporre di dispositivi in grado di generare sorgenti di umidità standard, nonché di parametri di riferimento e standard di umidità. I metodi di misurazione dell'umidità in grado di determinare l'umidità assoluta possono fungere da parametri di riferimento, così come i gas con livelli di umidità noti. La norma "Determinazione del particolato e metodi di campionamento degli inquinanti gassosi emessi dai gas di scarico di una sorgente fissa" (GB/T 16157-1996) specifica tre metodi per la misurazione dell'umidità dei gas di scarico: il metodo del bulbo umido-secco, il metodo di condensazione e il metodo gravimetrico. Questi tre metodi, che fungono da metodi di riferimento per la rilevazione dell'umidità dei gas di scarico, possono essere utilizzati per calibrare gli igrometri dei gas di scarico. Inoltre, i generatori di umidità possono produrre gas umido costante in specifiche condizioni di temperatura e pressione e possono essere utilizzati anche per calibrare gli igrometri dei gas di scarico. Con il progresso tecnologico e la crescente attenzione del Paese alla tutela ambientale, in Cina esistono attualmente quattro metodi principali per la misurazione online dell'umidità dei gas di scarico ad alta temperatura: il metodo a iniezione a flusso costante (a bulbo umido e secco), il metodo resistenza-capacità, il metodo a flusso ionico basato su ossido di zirconio (a corrente limite) e il metodo di assorbimento spettrale a infrarossi.
Introduzione ai metodi di misurazione dell'umidità dei gas di scarico
>> Metodo a bulbo umido-asciutto
Il metodo del bulbo umido e secco misura l'umidità relativa dell'aria basandosi sulla differenza tra le temperature del bulbo umido e del bulbo secco. Le molecole d'acqua evaporano dalla superficie del bulbo umido trasformandosi in vapore acqueo, che deve assorbire il calore latente di vaporizzazione. L'evaporazione continua assorbe calore dalla superficie e raffredda il bulbo umido. Il grado di raffreddamento è determinato dall'umidità relativa dell'aria circostante, dalla pressione atmosferica e dalla velocità del vento. Se la pressione atmosferica e la velocità del vento rimangono costanti, maggiore è l'umidità relativa, minore è il tasso di evaporazione dell'acqua dalla superficie del bulbo umido e minore è la temperatura superficiale del bulbo umido, che è la differenza tra la temperatura del bulbo umido e la temperatura del bulbo secco; viceversa, maggiore è la differenza tra le temperature del bulbo umido e del bulbo secco. Di conseguenza, misurando la differenza tra le temperature del bulbo umido e del bulbo secco e determinando la relazione tra l'umidità relativa e questa differenza di temperatura, è possibile calcolare l'umidità relativa.2,3
>> Il principio della misurazione dell'umidità con il metodo del bulbo umido e secco
Secondo i principi del trasferimento di calore e umidità, quando si raggiunge l'equilibrio termico e di umidità, la quantità di calore Q1 trasferita dall'aria al bulbo umido è uguale al calore latente Q2 necessario per l'evaporazione dell'umidità dalla garza, ovvero: Q1 = Q2 (1)
In base al principio di trasferimento del calore: Q1=α（t-tw）F (2)
Nella formula: α è il coefficiente di scambio termico tra l'aria e la superficie dell'acqua del bulbo umido, W/m2 ·℃; t è la temperatura del bulbo secco, °C; tw è la temperatura del bulbo umido, °C; F è l'area della superficie del bulbo umido, m².
Secondo il principio di trasferimento dell'umidità e la legge di evaporazione di Dalton, la massa di acqua evaporata è direttamente proporzionale al deficit di saturazione del vapore dell'aria circostante e all'area di evaporazione, e inversamente proporzionale alla pressione atmosferica in quel momento. Pertanto, il tasso di scambio di umidità[4] può essere espresso come:
Nella formula: W è il tasso di scambio di umidità, kg/s; r è il calore latente di vaporizzazione, J/kg; β è il coefficiente di scambio di umidità, kg/(m²·s·Pa); F è la superficie del bulbo umido, m²; B è la pressione atmosferica effettiva, Pa; P´q,b è la pressione parziale del vapore acqueo saturo alla temperatura del bulbo umido, Pa; Pq è la pressione parziale del vapore acqueo nell'aria, Pa.
Derivato dalle formule (1), (2) e (3):
Nella formula: il coefficiente psicrometro
Pertanto, l'umidità relativa è:
Il metodo del bulbo secco-umido, utilizzato per il monitoraggio dei fumi provenienti da fonti inquinanti, impiega generalmente due termocoppie identiche come elementi di rilevamento della temperatura: una per misurare la temperatura a bulbo secco e l'altra quella a bulbo umido. L'elemento di rilevamento per la temperatura a bulbo secco è posizionato all'interno del flusso principale dei fumi, mentre l'elemento di rilevamento per la temperatura a bulbo umido è avvolto in una garza di cotone collegata a un contenitore d'acqua. Il bulbo umido e i fumi circostanti vengono trattati come un unico sistema, senza considerare la conduzione termica per irraggiamento. Un dispositivo automatico per la misurazione del contenuto di umidità, basato sul principio del bulbo secco-umido, utilizza un microprocessore per controllare i sensori che misurano e raccolgono parametri quali le temperature superficiali del bulbo umido e del bulbo secco, nonché la pressione sulla superficie del bulbo umido e la pressione statica dei gas di scarico. Il dispositivo ricava la pressione del vapore acqueo saturo alla temperatura superficiale del bulbo umido e, combinandola con la pressione atmosferica in ingresso, calcola automaticamente il contenuto di umidità dei fumi utilizzando l'apposita formula.
1-Canale;
2-Termometro a bulbo secco;
3-Termometro a bulbo umido;
4-Tubo di campionamento isolato;
5- Manometro per la pressione del vuoto;
Rotametro a 6 vie;
7-Pompa di aspirazione dell'aria
>> Metodo di getto a flusso costante
Metodo di getto a flusso costante (temperatura di bulbo umido e secco). Il principio di base della misurazione dell'umidità a bulbo umido e secco è il seguente: un sensore di temperatura (5) misura la temperatura dei gas di combustione come temperatura di bulbo secco e una cella di misura (3) viene riempita con una certa quantità d'acqua. L'acqua contenuta nel serbatoio (1) viene continuamente fornita alla cella di misura tramite una pompa a tubo (2). Il livello dell'acqua nella cella di misura viene monitorato da un sensore, e anche la pressione all'interno della cella viene rilevata da un sensore per garantire la precisione della misurazione e monitorare il liquido. Un sensore di temperatura (6) è installato all'interno della cella di misura e deve essere posizionato sotto la superficie dell'acqua. I gas di combustione vengono quindi iniettati continuamente a flusso costante direttamente sopra la superficie dell'acqua nella cella di misura e la temperatura rilevata viene considerata come temperatura di bulbo umido (vedere Figura 2). Sulla base dei principi di trasferimento del calore e termodinamica, si può dedurre la seguente formula matematica:
Nella formula
U—Umidità relativa %;
etw—Pressione del vapore acqueo saturo alla temperatura di bulbo umido;
et—Pressione del vapore acqueo saturo alla temperatura di bulbo secco;
P—Pressione atmosferica;
∆t—Differenza di temperatura tra la temperatura di bulbo secco e la temperatura di bulbo umido;
A—Costante correlata alla velocità del vento.
Igrometro ad alta temperatura a getto a flusso costante di Chang Ai
L'igrometro CI-PC39 di Chang Ai è stato applicato con successo a processi di misurazione ad alta temperatura e umidità, nonché a processi che coinvolgono gas corrosivi e contenenti polveri. In molti processi industriali, è necessario monitorare e controllare l'umidità del gas di processo per garantire la qualità del prodotto, ottimizzare l'efficienza energetica o raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni. Il CI-PC39 è un igrometro di processo progettato per i requisiti applicativi industriali più rigorosi, inclusa la misurazione dell'umidità in ambienti aggressivi e resistenti alla corrosione (come impianti di incenerimento dei rifiuti, acido solforico, acido fluoridrico o acqua regia). Offre dati di misurazione accurati e affidabili, un ampio intervallo di adattabilità alla temperatura, una bassa manutenzione e una lunga durata. I suoi svantaggi includono un prezzo elevato, dimensioni ingombranti e la necessità di rabbocchi d'acqua regolari.
In base alla formula matematica di cui sopra, possiamo vedere chiaramente che il metodo di getto a corrente costante per la misurazione dell'umidità nei gas di scarico viene realizzato attraverso la misurazione indiretta della temperatura dei gas di scarico. Il suo prodotto rappresentativo è mostrato nella Figura (3).
La tecnologia di misurazione della temperatura è relativamente matura e affidabile. Anche in condizioni operative estremamente difficili, la sostituzione dei sensori di temperatura in loco può essere effettuata agevolmente. Sebbene il principio di funzionamento del bulbo umido-secco si basi sul metodo del getto a flusso costante, non è simile a quello degli igrometri comunemente utilizzati sul mercato dai servizi meteorologici per misurare l'umidità relativa dell'aria. Questo igrometro ha raggiunto i suddetti risultati di misurazione grazie a un design innovativo, completamente nuovo e persino rivoluzionario.
Metodo di condensazione
Il principio del metodo di condensazione è il seguente: un certo volume di gas di scarico viene estratto dal condotto di scarico e fatto passare attraverso un condensatore. Il contenuto di umidità nei gas di scarico viene calcolato sommando la quantità di acqua condensata e la quantità di vapore acqueo contenuta nei gas saturi scaricati dal condensatore.
● Condensatore, vedere la figura (1)
● Dispositivo di campionamento delle polveri dei fumi: è costituito da un campionatore di polveri dei fumi (in grado di misurare tr, tv, Pr, Qrw, impostazione del tempo n e funzione di essiccazione dei gas), un tubo di campionamento e una pompa dell'aria.
>> Procedure di rilevamento
● Collegare il condensatore al tubo dell'acqua fredda oppure immergerlo direttamente nell'acqua ghiacciata, quindi collegare l'intero sistema come mostrato nella Figura 2 e verificare l'assenza di perdite di gas;
● Metodo di ispezione per perdite di gas: bloccare il tubo di gomma tra il tubo di campionamento e il condensatore, quindi avviare la pompa dell'aria. Quando la pressione negativa indicata dal manometro prima del flussometro raggiunge 6,6 kPa (50 mmHg), sigillare il tubo di gomma tra il flussometro e la pompa dell'aria e arrestare il pompaggio. Se l'indicatore del manometro non scende di oltre 0,2 kPa (1,5 mmHg) entro 1 minuto, il sistema è a tenuta d'aria.
Figura (2) Sistema di misurazione e campionamento dell'umidità
| Reazione di riduzione catodica | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| reazione di ossidazione anodica | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Come si evince dalle equazioni di reazione elettrochimica sopra riportate, non vi è alcun consumo della cella elettrolitica o degli elettrodi. Pertanto, gli utenti non devono sostituire gli elettrodi o la cella elettrolitica durante il funzionamento; devono solo rabboccare periodicamente l'acqua distillata e l'elettrolita (l'elettrolita diminuisce a causa della naturale evaporazione). Questo differisce dai sensori di ossigeno delle celle a combustibile menzionati in precedenza, che in genere devono essere sostituiti ogni 1 o 2 anni.
Quando si introducono sensori di ossigeno a celle a combustibile alcaline, è fondamentale sottolineare che non devono essere utilizzati in applicazioni in cui il gas misurato contiene componenti acidi. Il sensore di ossigeno elettrolitico Delta F utilizza una soluzione alcalina di KOH come elettrolita. Per superare le interferenze causate dai gas acidi e prevenire la corrosione degli elettrodi, all'interno del sensore è integrata una coppia di elettrodi ausiliari Stab-EL. La funzione di questi elettrodi ausiliari è quella di rimuovere i gas nocivi dopo che il gas campione contenente acidi è entrato nella cella elettrolitica, prevenendo così danni al sensore e garantendo l'accuratezza delle letture dell'analizzatore.
Figura 6-4 Schema del sensore di tracciamento dell'ossigeno Delta F
