Applicazioni della tecnologia di monitoraggio online per l'umidità dei gas di scarico -2
Flusso ionico (zirconia)
Sulla base di approfondite ricerche teoriche e numerosi esperimenti, è stato verificato che i sensori a flusso ionico possono raggiungere una misurazione accurata dell'umidità. La misurazione dell'umidità può essere realizzata regolando la tensione applicata al catodo e all'anodo del sensore. Questa scoperta risolve il problema per cui i sensori di umidità convenzionali non funzionano efficacemente in ambienti ad alta temperatura (come quelli superiori a 100 °C).
Gli elettrodi di platino sono rivestiti su entrambi i lati di ZrO2 stabilizzato. Il lato del catodo è assemblato con un coperchio dotato di fori di diffusione del gas per formare una cavità catodica. A una determinata temperatura, viene applicata una specifica tensione di esercizio tra l'anodo e il catodo di ZrO2; le molecole di ossigeno all'interno della cavità acquisiscono elettroni al catodo formando ioni ossigeno (O2-). Gli ioni O2- migrano verso l'anodo attraverso le vacanze di ossigeno nello ZrO2, rilasciano elettroni e vengono convertiti in molecole di ossigeno che vengono scaricate verso l'esterno. Questo fenomeno è noto come pompa elettrochimica. In questo modo, l'ossigeno nella cavità catodica viene continuamente pompato fuori dalla cavità dall'elettrolita di ZrO2 e gli ioni ossigeno fluiscono dal catodo attraverso lo ZrO2 all'anodo, formando una corrente di ioni ossigeno. Quando la concentrazione di ossigeno nell'atmosfera misurata è costante, la corrente di uscita del sensore di zirconia non aumenta più con l'aumento della tensione applicata, ma raggiunge invece un valore costante. Questo valore di corrente costante viene definito valore di corrente limite per quella concentrazione di ossigeno, che chiamiamo primo valore di corrente limite (come mostrato in Figura 1-A). In base a questo principio di funzionamento, quando l'atmosfera misurata contiene vapore acqueo, l'aumento della tensione di funzionamento applicata provoca l'ionizzazione del vapore acqueo in ioni di ossigeno. Analogamente, quando la concentrazione di vapore acqueo nell'atmosfera misurata è costante, il sensore in zirconia emette un valore di corrente costante, che viene definito secondo valore di corrente limite (come mostrato in Figura 1-B). Il valore di corrente del primo stadio I1 e il valore di corrente del secondo stadio I2 sono rispettivamente proporzionali alla pressione parziale di ossigeno e alla pressione parziale di ossigeno nell'atmosfera contenente vapore acqueo.
Le reazioni al catodo e all'anodo del sensore sono le seguenti:
Figura (2) Principio del flusso ionico
In conformità con la legge di Fick, limitata dai fori di diffusione del gas del sensore, e supponendo che il coefficiente di diffusione dell'ossigeno sia uguale a quello del vapore acqueo, la prima corrente limite I1 e la seconda corrente limite I2 sono espresse rispettivamente dalle seguenti formule:
Nella formula:
F è la costante di Faraday, S è l'area dei fori di diffusione.
D è il coefficiente di diffusione delle molecole del gas misto, P è la pressione totale della miscela gassosa.
PO2 è la pressione parziale dell'ossigeno, PH2O è la pressione parziale del vapore acqueo
R è la costante dei gas, T è la temperatura assoluta.
L è la lunghezza dei fori di diffusione del gas, 0,21 è il contenuto di ossigeno nell'aria
La curva di relazione tra il valore della corrente limite ionica e la concentrazione di ossigeno è mostrata nella Figura (3):
Il contenuto di ossigeno nei gas di combustione può essere calcolato in base alla prima corrente limite, mentre l'umidità nei gas di combustione può essere calcolata in base alla differenza tra la seconda e la prima corrente limite. Pertanto, gli igrometri che adottano il principio della corrente limite a zirconia presentano un netto vantaggio rispetto a quelli che utilizzano altri principi. Poiché la sua funzione principale è il rilevamento dell'ossigeno e la misurazione dell'ossigeno è un prerequisito per la misurazione dell'umidità, gli utenti non hanno bisogno di installare un analizzatore di ossigeno separato. Un singolo igrometro può fornire entrambi i set di dati di misurazione simultaneamente.
>> Analizzatore di umidità a flusso ionico 3D ad aspirazione
In Cina, diverse aziende producono analizzatori di umidità ad alta temperatura ad aspirazione. Qui vengono presentati, a titolo di esempio, i prodotti di Chang Ai.
Per far fronte all'impatto delle atmosfere corrosive sugli elettrodi dei sensori, Chang Ai ha migliorato i materiali degli elettrodi catalitici in zirconia-platino e ha adottato un nuovo materiale elettrolitico tramite la tecnologia di sintesi nanochimica. Questo metodo risolve i problemi di corrosione degli elettrodi e di breve durata in presenza di gas di scarico ad alta concentrazione di SO2 provenienti da impianti di incenerimento dei rifiuti, calcinazione di minerali, fabbriche di ceramica e centrali elettriche. Inoltre, basandosi sui sensori di corrente limitante, Chang Ai ha realizzato un'innovazione audace integrando due sensori di ossigeno su un singolo chip, risolvendo completamente la sfida rappresentata dall'impossibilità di un singolo sensore di ossigeno di misurare simultaneamente l'ossigeno dinamico e l'ossigeno elettrolitico umido.
Il dispositivo di flusso ionico 3D adotta un'unità di rilevamento del flusso ionico doppia. Un'unità misura il contenuto di vapore acqueo e ossigeno, mentre l'altra misura il contenuto di ossigeno puro. Applicando tensioni diverse per ionizzare gli ioni di ossigeno e miscelarli con il vapore acqueo, è possibile ottenere i contenuti di ioni di ossigeno e vapore acqueo tramite la misurazione della corrente. Caratterizzato da elevata resistenza alle alte temperature e prestazioni anti-inquinamento, questo sensore può funzionare stabilmente in ambienti gassosi difficili. Il suo principio e la sua struttura sono illustrati nella Figura 4.
Figura (4) Struttura di un sensore di umidità a flusso ionico
L'analizzatore di umidità a flusso ionico 3D CI-PC196 è costituito da una sonda di campionamento ad alta temperatura e dall'unità di controllo dello strumento (come mostrato in Figura 5). L'unità di controllo supporta le funzioni di controlavaggio automatico e calibrazione automatica. La sonda è dotata di una funzione di riscaldamento per impedire la formazione di condensa al suo interno e la sua estremità è provvista di un filtro in acciaio inossidabile sinterizzato o in ceramica.
Figura (5) Igrometro ad alta temperatura CI-PC196
La sonda comprende un filtro primario inserito nella canna fumaria, un tubo di campionamento, un'unità di spurgo e un sensore situato all'estremità a temperatura normale, all'esterno della canna fumaria. I gas di combustione ad alta temperatura vengono aspirati dalla canna fumaria tramite una pompa a eiettore azionata da aria compressa. I gas di combustione entrano attraverso l'ingresso del sensore ed escono dall'uscita dell'aria. Controllando la pressione e la portata dell'aria compressa, è possibile regolare la portata del gas aspirato. La sonda è un sensore di ossigeno di tipo corrente, il cui principio di funzionamento è diverso da quello delle sonde a concentrazione in zirconia a inserimento diretto. In condizioni di alta temperatura, il materiale in zirconia (ZrO2) diventa conduttivo a causa della migrazione degli ioni di ossigeno. Quando la temperatura supera i 650 °C, gli ioni di ossigeno migrano; all'aumentare della concentrazione di ossigeno, la corrente aumenta proporzionalmente all'aumento del flusso ionico.
Rispetto ai sensori di umidità convenzionali a polimeri, elettroliti e ceramici, questo strumento si distingue completamente per design strutturale, metodi di prova e principi di funzionamento, offrendo notevoli vantaggi: presenta un'eccellente resistenza alle alte temperature e alla corrosione (il sensore funziona a temperature superiori a 600 °C), consentendone l'utilizzo in ambienti ad alta temperatura superiori a 200 °C. Misura il contenuto di umidità in base alla quantità di vapore acqueo decomposto sotto tensione di decomposizione, garantendo così una selettività superiore. Inoltre, questo principio permette di misurare simultaneamente l'umidità e la concentrazione di ossigeno. Trova ampio impiego nei settori della protezione ambientale, della stampa e tintura, del legno, dei materiali da costruzione, della carta, della chimica, delle fibre e dei prodotti farmaceutici, nonché nella lavorazione e conservazione di alimenti, tabacco, ortaggi e cereali.
>> Metodo dell'ossigeno umido-secco
Quando si utilizzano sensori di ossigeno installati nel sistema CEMS per misurare il contenuto di ossigeno nei fumi prima e dopo la deumidificazione e per calcolare l'umidità nei fumi, quest'ultima viene calcolata utilizzando la seguente formula:
Nella formula (1), X´O2 rappresenta la percentuale in volume di ossigeno nei gas di combustione umidi, %, e Xo2 rappresenta la percentuale in volume di ossigeno nei gas di combustione secchi, %.
Ad esempio: se la concentrazione dei gas di scarico umidi è del 6,8% di O2 e la lettura dei gas di scarico secchi dopo la deumidificazione è del 7,4% di O2, sia Xsw il contenuto di umidità dei gas di scarico, allora
Il problema principale del metodo dell'ossigeno secco-umido è che richiede due strumenti per misurare rispettivamente l'ossigeno secco e l'ossigeno umido. Gli errori risultanti includono errori di campionamento causati da punti di campionamento incoerenti, nonché errori sovrapposti derivanti dalla deriva di misurazione dei due strumenti stessi. Questi errori sono difficili da compensare con questo metodo.
Spettroscopia infrarossa
In natura, ogni gas assorbe la luce di specifiche lunghezze d'onda. Quando un fascio di luce bianca (contenente tutte le componenti di lunghezza d'onda) attraversa il gas, la luce in uscita risulta indebolita o priva di quelle specifiche componenti di lunghezza d'onda. In spettroscopia, la composizione di una sostanza può essere determinata in base alla composizione delle linee spettrali di assorbimento del gas. Analizzando il grado di assorbimento della luce a specifiche lunghezze d'onda da parte di una specifica linea spettrale di assorbimento di un determinato gas, è possibile calcolarne la concentrazione.
Esistono due metodi principali per la misurazione dell'umidità basati sulla spettroscopia di assorbimento nel vicino infrarosso: la spettroscopia a cavità risonante (CRDS) e la spettroscopia di assorbimento a diodo laser sintonizzabile (TDLAS). La spettroscopia di assorbimento infrarosso si basa sul principio che l'assorbimento selettivo di specifiche lunghezze d'onda infrarosse da parte delle molecole di vapore acqueo varia con la loro concentrazione. Tuttavia, da quando Fowle propose per la prima volta la misurazione dell'umidità tramite infrarossi nel 1912, i progressi in questo campo sono stati lenti a causa dei limiti delle tradizionali tecniche di assorbimento infrarosso (assorbimento a banda larga). Il rapido sviluppo della tecnologia di spettroscopia laser a semiconduttore (TDLAS) negli anni '90 ha facilitato la comparsa degli attuali analizzatori di umidità dei gas di scarico ad alta temperatura in linea. Rispetto alla spettroscopia di assorbimento infrarosso tradizionale, la TDLAS utilizza un assorbimento a banda stretta, poiché la larghezza spettrale della sorgente laser a semiconduttore (inferiore a 0,0001 nm) è molto inferiore all'allargamento delle linee di assorbimento del gas.
Ogni molecola di gas possiede un proprio spettro di assorbimento intrinseco. L'assorbimento si verifica quando lo spettro di emissione della sorgente luminosa corrisponde allo spettro di assorbimento delle molecole di gas, e l'intensità di assorbimento è correlata alla frazione volumetrica del gas. Quando un fascio laser a semiconduttore con un'intensità I0 attraversa il gas da misurare, la luce viene attenuata se lo spettro della sorgente luminosa copre lo spettro di assorbimento delle molecole di gas. Secondo la legge di Lambert-Beer, la relazione tra l'intensità luminosa in uscita I, l'intensità luminosa incidente I0 e la concentrazione volumetrica del gas è espressa come segue:
Nella formula:
I0: Intensità luminosa iniziale;
I: Intensità luminosa residua dopo l'assorbimento da parte del vapore acqueo (H2O) nel campione di gas;
S: Coefficiente di assorbimento dell'acqua (H2O) per un laser a una specifica lunghezza d'onda;
L: Lunghezza del percorso ottico;
N: Quantità di molecole di vapore acqueo lungo il percorso ottico, correlata al contenuto di vapore acqueo nel gas campione.
Pertanto, il contenuto di acqua nel campione di gas può essere determinato misurando l'intensità luminosa iniziale e l'intensità luminosa dopo l'assorbimento. Poiché la lunghezza d'onda laser selezionata è specifica, i risultati della misurazione non sono praticamente influenzati da altri gas. Inoltre, il calcolo utilizzando il rapporto I/I0 può eliminare efficacemente le influenze causate da variazioni nell'intensità della sorgente luminosa, nella riflettività dello specchio e nei parametri elettrici.
Per ottenere una maggiore sensibilità di rilevamento o migliorarla, e per ridurre il rumore 1/f del laser, la tecnologia TDLAS richiede generalmente l'uso del rilevamento spettrale modulato. Questa tecnica riduce significativamente l'impatto del rumore del laser sulle misurazioni attraverso la modulazione ad alta frequenza. Allo stesso tempo, impostando una costante di tempo elevata per il rivelatore sensibile alla fase utilizzato nel rilevamento sensibile alla fase (che rileva le componenti armoniche), è possibile ottenere un filtro passa-banda molto stretto, comprimendo così efficacemente la larghezza di banda del rumore. Gli analizzatori di umidità dei gas di combustione ad alta temperatura sviluppati utilizzando la tecnologia TDLAS eseguono misurazioni senza contatto durante la misurazione dei gas di combustione, eliminando l'avvelenamento del sensore e le interferenze dei gas di fondo. Sono caratterizzati da tempi di risposta rapidi, elevata precisione di misurazione, un lungo ciclo di calibrazione e un funzionamento praticamente esente da manutenzione, mentre il loro principale svantaggio è l'elevato costo. Tuttavia, quando si utilizza il metodo di assorbimento infrarosso per la misurazione dell'umidità dei gas di combustione, è necessario evitare le interferenze da lunghezze d'onda sensibili a CO2/SO2/NOX, il che presenta alcune difficoltà. Insieme all'elevato costo dello strumento, questo metodo è attualmente raramente utilizzato per la misurazione dell'umidità dei gas di combustione.
Un confronto tra diversi principi
| Elementi di confronto | Metodo di getto a flusso costante | Flusso ionico a doppia cella | Metodo della zirconia | Metodo resistenza-capacità | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| intervallo di misurazione | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Tempo di risposta | T90＜90S(10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Display | Temperatura del punto di rugiada: 20～100℃ | Concentrazione di ossigeno: 0–100% | Rapporto volumetrico (H2O): 0–100% | Umidità relativa (UR%) | Umidità relativa (UR%) |
| Rapporto volumetrico: 2～100% | Rapporto volumetrico (H2O): 0–100% | Rapporto volumetrico 0–100% | Rapporto volumetrico 0–100% | ||
| Umidità assoluta: 15～1000 g/kg | |||||
| Pressione del vapore acqueo: 10～1000 hPa | |||||
| Valore visualizzato | Valore assoluto | Valore assoluto | Valore assoluto | Valore relativo | Valore relativo |
| Temperatura | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Precisione | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Resistenza chimica | Resistente | Resistente | Moderare | Non resistente | Resistente |
| Applicabilità | Qualsiasi miscela di gas | Fumi di combustione, miscele di gas generiche | Miscele di aria e vapore acqueo | Fumi di combustione, miscele di gas generiche | Fumi di combustione, miscele di gas generiche |
| Metodo di misurazione | Campionamento continuo | Campionamento in situ/continuo | In loco | Campionamento in situ/continuo | Campionamento in situ/continuo |
| Durata di servizio | 10 anni | 1–2 anni | 1–2 anni | 0,6–2 anni | ≥2 anni |
| Calibrazione | Nessuna calibrazione necessaria, nessuna deriva | Obbligatorio (calibrazione dell'ossigeno) | Obbligatorio (calibrazione dell'ossigeno) | Calibrazione in loco non disponibile (richiede un generatore di umidità professionale) | Calibrazione in loco non disponibile (richiede un generatore di umidità professionale) |
