Umidità dei gas di combustione con fonte di inquinamento fissa

Nel monitoraggio convenzionale delle emissioni dei gas di combustione, l'umidità dei gas di combustione è un parametro importante, ma anche il più difficile da misurare con precisione. La misurazione dell'umidità è influenzata da altri fattori (pressione atmosferica, temperatura) e deve inoltre tenere conto di temperature elevate, elevata presenza di polvere, elevata umidità, pressione negativa e problemi di corrosione.

Inoltre, la calibrazione dell'umidità è un problema complesso. Il motivo è che è difficile produrre un generatore di umidità ad alta temperatura, il che influisce sulla misurazione dell'umidità tramite lo strumento di misura online. Per verificare e calibrare lo strumento di misura dell'umidità dei gas di combustione, è necessario un dispositivo in grado di generare una sorgente di umidità standard e uno standard di umidità. Un metodo di misurazione dell'umidità in grado di effettuare una misurazione assoluta dell'umidità può essere utilizzato come riferimento per l'umidità. Anche i gas con umidità nota possono essere utilizzati come parametri di riferimento per l'umidità. La norma "Metodo di campionamento di particolato e inquinanti gassosi nello scarico di una fonte di inquinamento fissa" (GB/T16157-1996) prescrive tre tipi di metodi di misurazione dell'umidità dei gas di combustione: metodo di condensazione, metodo ponderale e metodo della sfera secco-umido, che vengono utilizzati come metodo di riferimento per la misurazione dell'umidità dei gas di combustione e possono essere utilizzati per la calibrazione dello strumento di misura dell'umidità dei gas di combustione. Inoltre, il generatore di umidità genera umidità costante a una determinata temperatura e pressione e può essere utilizzato anche per calibrare l'igrometro dei gas di combustione.

1. Introduzione del metodo di misurazione dell'umidità dei gas di combustione

Metodo della palla asciutta-bagnata

I tre metodi di riferimento per l'umidità previsti dalla norma GB/T16157-1996 non sono ideali nell'applicazione pratica. Il metodo del peso e quello della condensazione sono complessi, le condizioni di prova sono elevate e la durata della prova è lunga. Il metodo della sfera asciutta-bagnata è semplice, ma l'errore è elevato.

Il problema principale della misurazione dell'umidità dei gas di combustione con il metodo della sfera asciutta-umida è che la temperatura dei gas di combustione è elevata, spesso superiore a 100°C, ma la temperatura della sfera asciutta non riesce a raggiungere la temperatura effettiva dei gas di combustione.

La temperatura è solitamente compresa tra la temperatura ambiente e la temperatura dei gas di combustione, con conseguente errore di misurazione fisso. Zong Ningsheng ritiene che quando si misura l'umidità dei gas di combustione utilizzando il metodo della sfera secco-umido, si debbano tenere in considerazione le seguenti operazioni: quando l'indicatore di temperatura è stabile e non aumenta più, è possibile effettuare le letture (5-10 min). Il tubo di collegamento tra il tubo di campionamento e i termometri a secco e a umido è più corto e la parete del tubo non è adatta per essere sottile, in modo da evitare un calo eccessivo della temperatura dei gas di combustione. Nei climi freddi, è necessario utilizzare tubi di campionamento riscaldati.

Chang-Ai ha migliorato il termometro a sfera secco-umido e il tubo di campionamento dei gas di combustione riscaldato per evitare errori dovuti al raggiungimento del punto di rugiada dei gas di combustione e alla condensazione del vapore nel tubo di campionamento.

Figura 1CI-PC39 Schema

In base alla temperatura effettiva dei fumi nel punto di misura, modificando la temperatura di riscaldamento del tubo di campionamento, si evita la differenza tra la temperatura dei fumi in ingresso nella camera a sfera secco-umido e la temperatura dei fumi nel punto di campionamento. L'accuratezza e la stabilità dell'igrometro a bulbo secco-umido autocostruito sono state studiate utilizzando il metodo standard a bulbo secco-umido e il metodo ponderale. I risultati mostrano che i dati di umidità misurati dall'igrometro sono affidabili ed efficaci, hanno una risposta sensibile alle variazioni di umidità dei fumi e possono funzionare in modo continuo e stabile. Sebbene il metodo del getto d'impatto sia il principio di funzionamento della sfera secco-umida, non si tratta di uno strumento di misura dell'umidità comune, simile a quello meteorologico, per misurare l'umidità relativa dell'aria. Questo strumento di misura dell'umidità è un design completamente nuovo o addirittura innovativo; per ottenere i risultati di misurazione sopra indicati, il suo modello rappresentativo è mostrato in Figura 1.

L'ingegneria di misura Chang-Ai è stata applicata con successo a processi di misura ad alta temperatura e alta umidità, nonché a processi con gas corrosivi e polverosi. In molti processi, per garantire la qualità del prodotto, un uso efficiente dell'energia o per raggiungere l'obiettivo di riduzione delle emissioni, è necessario monitorare e controllare l'umidità del gas di processo. CI-PC39 è un misuratore di umidità di processo che soddisfa i più severi requisiti industriali, tra cui resistenza alla corrosione, funzionamento continuo e insensibilità alle incrostazioni.

Metodo di condensazione

Il principio del metodo di condensazione si basa sull'estrazione di un certo volume di gas di scarico dal camino per farlo passare attraverso il condensatore, e il contenuto d'acqua nei gas di scarico viene calcolato in base alla quantità di acqua condensata e al contenuto di vapore acqueo del gas saturo scaricato dal condensatore. Il principio del metodo ponderale si basa sull'estrazione di un certo volume di gas di scarico dal camino in modo che l'umidità presente nei gas di scarico venga assorbita dal tubo di assorbimento dell'umidità dall'agente di assorbimento dell'umidità attraverso il tubo di assorbimento dell'umidità riempito con l'agente di assorbimento dell'umidità, e il peso del tubo di assorbimento dell'umidità nei gas di scarico è la componente d'acqua contenuta nel volume noto di gas di scarico. I due metodi sono simili nel principio. La concentrazione in massa dell'umidità nei gas di scarico si ottiene direttamente pesando il contenuto di umidità e dividendo il volume di campionamento, quindi la concentrazione in massa viene convertita nella percentuale in volume.

Il metodo della sfera secco-umido è facile da usare e presenta una forte adattabilità. È un metodo di riferimento comune per la misurazione online dell'umidità dei gas di combustione. Il metodo della condensazione e il metodo del peso offrono una maggiore accuratezza, ma il test è complesso, richiede un elevato impegno del personale, richiede tempi di prova lunghi e non è adatto per la misurazione online dell'umidità dei gas di combustione, potendo essere utilizzato solo come metodo di laboratorio e come metodo di misurazione online per test di confronto.

Metodo di inibizione

Quando una sostanza viene posta tra una coppia di elettrodi, la capacità tra gli elettrodi cambia quando assorbe vapore acqueo. Il contenuto di umidità dei gas di combustione può essere ottenuto misurando la variazione di capacità del materiale di assorbimento dell'umidità, chiamato sensore di umidità capacitivo. Il tradizionale strumento di misura dell'umidità capacitivo presenta alcuni problemi di sensibilità del sensore, isteresi dell'umidità, coefficiente di temperatura e stabilità a lungo termine.

L'invenzione riguarda un misuratore di umidità per gas di combustione ad alta temperatura e volume in linea, basato su un prodotto brevettato, che è un misuratore di umidità con metodo capacitivo migliorato, dotato di buona resistenza alla corrosione e alta sensibilità. Utilizza un sensore di umidità capacitivo a film polimerico.

Come sensore di umidità, viene utilizzato un sensore di temperatura a resistenza di platino per la compensazione della temperatura. Il principio di funzionamento è illustrato nella Figura 1: il vapore acqueo attraversa l'elettrodo superiore del sensore di umidità a film capacitivo ad alto peso molecolare e raggiunge il film polimerico attivo ad alto peso molecolare. Grazie alle dimensioni ridotte del sensore e al sottile spessore del film polimerico, il sensore può rispondere rapidamente alle variazioni di umidità dell'ambiente circostante.

Figura 2 Diagramma a blocchi del principio di funzionamento del contatore dell'acqua con resistenza e capacità

Il vapore acqueo assorbito nel polimero modifica le caratteristiche dielettriche del sensore e ne modifica il valore di capacità, converte il segnale di uscita del sensore di umidità capacitivo in un valore di tensione e invia un segnale di tensione di temperatura attraverso il sensore di temperatura per eseguire la compensazione automatica della temperatura. Il misuratore di umidità può misurare il contenuto d'acqua nell'intervallo 0~20%±2% a una temperatura del fumo ≤180°C.

Negli ultimi anni, sono state condotte numerose ricerche per individuare materiali di rilevamento dell'umidità più efficaci. Tra questi, i materiali polimerici organici hanno attirato molta attenzione per la loro elevata sensibilità, la risposta rapida e la ridotta isteresi dell'umidità. Esistono due tipi principali di materiali di rilevamento dell'umidità: la serie CAB (acetato butirrato di cellulosa) e la serie P (poliimmide).

Il sensore di umidità capacitivo a polimero organico era originariamente realizzato in acetato di cellulosa e suoi derivati. Attualmente, l'acetato di cellulosa è il materiale più utilizzato. Japan Sakai ha confrontato le proprietà di vari derivati ​​della cellulosa e studiato le proprietà di capacità, temperatura e isoterme di assorbimento. I risultati mostrano che per realizzare un sensore di umidità non igroscopico, la quantità d'acqua deve essere contenuta e l'interazione tra le molecole non deve verificarsi. Si ipotizza che il materiale in acetato di cellulosa, in particolare l'elemento costituito da un elettrodo d'oro poroso, non solo abbia una rapida velocità di risposta, ma anche una bassa isteresi igroscopica.

Matsuguchi ha proposto la sintesi di polimeri a basso peso molecolare con gruppi acetilene a entrambe le estremità della poliimmide. Nello stato a basso peso molecolare, la soluzione viene utilizzata per sciogliere il film e il film viene applicato al substrato per formare una pellicola. Dopo il riscaldamento, si ottiene la poliimmide con una struttura stereo-legante, che non è facile da sciogliere in acqua. Poiché il materiale non si separa dall'acqua durante la solidificazione ed è difficile formare microfori sul film indurito, si tratta di un materiale sensibile all'umidità con una buona resistenza all'acqua. I risultati mostrano che l'elemento sensibile all'umidità della poliimmide modificata ha una rapida velocità di risposta e un'isteresi pressoché nulla. Il coefficiente di temperatura è basso, anche la resistenza ai solventi (acetone) è buona e la stabilità è notevolmente migliorata.

Chen Xingzhu ha proposto un nuovo tipo di sensore di umidità a film dielettrico composito capacitivo. Il suo film dielettrico è composto da due tipi di PI (CAB) che presentano diverse caratteristiche di uscita lineare e temperatura. Rispetto ai singoli materiali PI e CAB, il materiale composito presenta una bassa isteresi, un piccolo errore non lineare e un basso coefficiente di temperatura, con evidenti miglioramenti in termini di ripetibilità e stabilità a lungo termine. Fornisce una nuova idea per la progettazione funzionale del materiale dielettrico del sensore di umidità capacitivo. Un esempio rappresentativo del suo prodotto è mostrato in Figura 3.

Figura 3 Profilo del sensore del punto di rugiada CI-XS200

I principali vantaggi del metodo capacitivo sono l'elevata sensibilità, la risposta rapida, la facilità di fabbricazione, la facile miniaturizzazione e integrazione. Attualmente, lo strumento di misura dell'umidità in linea per i gas di combustione in Cina ha numerose applicazioni, ma la stabilità a lungo termine non è ottimale e la maggior parte dell'uso a lungo termine della deriva è grave, causando guasti e danni. Il sensore di umidità capacitivo ha una minore resistenza alla corrosione, che spesso richiede una maggiore pulizia dell'ambiente. Alcuni prodotti presentano ancora fenomeni come guasti all'illuminazione e guasti elettrostatici. In breve, questo è un metodo in costante miglioramento.

Metodo della corrente limite

Grazie a uno studio teorico approfondito, condotto attraverso un gran numero di esperimenti, l'uso di un sensore di flusso ionico può consentire una misurazione accurata dell'umidità. Variando la tensione applicata al catodo e all'anodo del sensore, è possibile misurare l'umidità. Questa scoperta risolve il problema dell'incapacità dei normali sensori di umidità di adattarsi ad ambienti ad alta temperatura (ad esempio, superiori a 100 °C).

Una tensione di esercizio viene applicata all'anodo e al catodo della zirconia per generare un campo elettrico che convogli gli ioni di ossigeno dal catodo e formi una corrente di ioni di ossigeno attraverso la zirconia fino all'anodo. Quando la concentrazione di ossigeno nell'atmosfera misurata è certa, il valore di corrente del sensore di zirconia non aumenta con l'aumento della tensione applicata, raggiungendo un valore costante; questo valore di corrente costante è chiamato valore di corrente limite della concentrazione di ossigeno, che chiamiamo primo valore di corrente limite. Secondo il principio di funzionamento, quando l'atmosfera misurata contiene vapore acqueo, aumentando la tensione applicata, il vapore acqueo viene ionizzato in ioni di ossigeno e, quando la concentrazione di vapore acqueo nell'atmosfera misurata è fissa, il sensore di zirconia emette un valore di corrente costante, che viene chiamato secondo valore di corrente limite.

Figura 4 Relazione tra corrente limite e tensione applicata

Figura 5 Diagramma della curva della corrente limite di uscita del sensore sotto il vapore acqueo

La reazione al catodo e all'anodo del sensore è la seguente:

Lato catodo:O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Lato anodo: O2- → 1/2O2+2e- (6)

Secondo la regola di Ficks del limite di diffusione del gas del sensore, la prima corrente limite I1 e la seconda corrente limite I2 sono rispettivamente rappresentate dalla seguente formula a condizione che il coefficiente di diffusione dell'ossigeno sia uguale al coefficiente di diffusione del vapore acqueo:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Nella formula: F è la costante di Faraday, D è il coefficiente di diffusione della molecola del gas misto, S è l'area del foro di diffusione, P è la pressione totale del gas misto, PO2 pressione parziale, PH2O pressione parziale del vapore acqueo, R è la costante del gas, T è la temperatura assoluta, L è la lunghezza del foro di diffusione del gas, 0,21 è il contenuto di ossigeno nell'aria.

Il campo di applicazione della misurazione dell'umidità della corrente ionica è:

Chang Ai Co., Ltd., in collaborazione con il Dott. Zhang Yi Can (cinese, il primo a introdurre in Cina il sensore in zirconia a corrente estrema) e il suo team, e Yang Bang Chao, direttore dell'Istituto di Microelettronica e Materiali Solidi dell'Università di Scienza e Tecnologia Elettronica di Chengdu, ha avviato l'applicazione dei sensori di corrente ionica nella misurazione di alte temperature e umidità. Nel 2006, l'azienda ha introdotto per la prima volta lo strumento GRL-12 per la misurazione di alte temperature e umidità basato su un sensore di flusso ionico (Figura 5) e, prima delle Olimpiadi Verdi del 2008, un gran numero di applicazioni per la cokeria nello Shanxi, il monitoraggio delle emissioni delle centrali termoelettriche e la protezione e il monitoraggio ambientale hanno reso un'impresa nazionale grazie all'obbligo e al contributo. Nel corso di oltre dieci anni di sviluppo, la Chang'ai Company ha sviluppato un gran numero di strumenti di analisi dell'umidità basati su sensori di flusso di ioni, come il trasmettitore di umidità serie CI-PC18, il monitor di umidità del suolo CI-PC19, l'analizzatore di umidità ad alta temperatura serie CI-PC168, il sistema di rilevamento dell'umidità per l'industria alimentare CI-PC193, il sistema di analisi dell'umidità ad alta temperatura serie CI-PC196, che rappresenta la figura del prodotto, vedere Figura 6.

Figura 6 Profilo dell'igrometro ad alta temperatura CI-PC18

Struttura del sensore:

Figura 6 Struttura del sensore di umidità del flusso di ioni 3D

Questi prodotti sono ampiamente utilizzati nei settori della tutela ambientale, della stampa e della tintura, del legname, dei materiali da costruzione, dell'industria cartaria, chimica, delle fibre e farmaceutica, nonché nell'industria di lavorazione e stoccaggio di alimenti, tabacco, verdure e cereali.

Metodo dell'ossigeno secco-umido

Il sensore di ossigeno del sistema CEMS viene utilizzato per misurare il contenuto di ossigeno prima e dopo la deumidificazione dei gas di combustione. Per calcolare il contenuto di umidità nei gas di combustione, l'umidità viene calcolata secondo la seguente formula:

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

Nella formula (1), X e O2 sono la percentuale in volume di ossigeno nel gas di combustione umido, %, e Xo2 è la percentuale in volume di ossigeno nel gas di combustione secco, %.

Il problema principale dell'ossigeno secco e umido è che sono necessari due strumenti per misurarlo rispettivamente. L'errore causato dalla differenza dei punti di campionamento e dagli errori di campionamento è il seguente: l'errore dei due strumenti è sovrapposto. Questi errori sono difficili da superare con questo metodo.

Assorbimento infrarosso

La spettroscopia di assorbimento è una tecnica importante nella moderna misurazione dell'umidità, che comprende l'assorbimento infrarosso e ultravioletto. Attualmente, la tecnologia di misurazione basata sullo spettro di assorbimento nel vicino infrarosso è diventata più matura, con accuratezza, sensibilità e intervallo di misura migliori rispetto al metodo tradizionale di analisi dell'umidità.

Il metodo di assorbimento infrarosso sfrutta il principio secondo cui l'acqua assorbe fortemente la luce infrarossa con una lunghezza d'onda specifica, il contenuto d'acqua è diverso, il grado di assorbimento della luce è diverso e segue la legge di Lambert-Beer. Misurando la trasmittanza del gas alla lunghezza d'onda di assorbimento e alla lunghezza d'onda di riferimento, il rapporto tra la trasmittanza delle due lunghezze d'onda è funzione del contenuto di vapore acqueo nel gas. Wan Jia Rong ha scoperto che le lunghezze d'onda di assorbimento più comunemente utilizzate sono 1,45 μm e 1,94 μm, mentre le lunghezze d'onda di riferimento comunemente utilizzate sono 1,73 μm e 2,1 μm.

Esistono due tipi di metodi di misurazione dell'umidità basati sulla spettroscopia di assorbimento nel vicino infrarosso: la spettroscopia ad attenuazione risonante con diodo laser (CRDS) e la spettroscopia ad assorbimento con diodo laser sintonizzabile (TLDAS). Il risonatore CRDS ha una struttura semplice e dimensioni ridotte, il che garantisce una rapida sostituzione del gas, rendendo la CRDS particolarmente adatta per la misurazione in linea. La TDLAS è una tecnologia di misurazione dello spettro di assorbimento relativamente matura, utilizzata nel campo della misurazione della microumidità, che offre i vantaggi di un'elevata sensibilità e una risposta rapida.

Tuttavia, il metodo di assorbimento infrarosso utilizzato nella misurazione dell'umidità dei gas di combustione deve evitare l'interferenza della lunghezza d'onda sensibile a CO2/SO2/NOX, il che è difficile, unito all'elevato prezzo dello strumento, quindi è raramente utilizzato nella misurazione dell'umidità dei gas di combustione.

Generatore di umidità ad alta temperatura

Poiché la temperatura dei gas di combustione è generalmente più elevata, compresa tra 80°C e 120°C, mentre un normale generatore di umidità genera umidità costante a temperatura normale, anche se l'umidità costante si verifica ad alta temperatura, è difficile garantire che la temperatura possa essere mantenuta costante durante l'uso. Spesso è difficile soddisfare i requisiti se si utilizza un generatore di umidità a temperatura normale per calibrare un misuratore di umidità per gas di combustione ad alta temperatura, il che comporta notevoli limitazioni alla ricerca e all'applicazione della misurazione dell'umidità ad alta temperatura. In particolare, il sensore di umidità capacitivo è sensibile alla temperatura oltre che all'umidità ambientale ed è facile che si verifichi una deriva di temperatura, quindi è necessario sviluppare un generatore di umidità ad alta temperatura.

Il generatore di umidità ad alta temperatura può produrre umidità stabile a temperature più elevate. È un dispositivo di calibrazione comodo e intuitivo per strumenti di misura dell'umidità dei gas di combustione. Zhang Wen Dong ha sviluppato un set di generatori di umidità di precisione ad alta temperatura utilizzando il principio del metodo a doppia temperatura e doppia pressione. Gli esperimenti di stabilità della temperatura sono stati condotti a 50 °C, 100 °C e 150 °C. La durata è stata di 2 ore. I risultati dei test di stabilità della temperatura del serbatoio dell'olio saturatore e della camera di prova sono stati entro 0,02 °C. L'incertezza teorica massima del dispositivo è di ±1,09 UR. L'accuratezza del dispositivo è verificata dai risultati dei test dell'igrometro con metodo ponderale. Il dispositivo può essere utilizzato per correggere il sensore e il trasmettitore di umidità ad alta temperatura.

2.Riepilogo

La misurazione dell'umidità dei gas di combustione è un problema riconosciuto. Il metodo della sfera secco-umido, come metodo di riferimento stabilito dalla norma nazionale, è soggetto a errori. Il metodo della condensazione e il metodo del peso sono ad alta precisione, ma il funzionamento è complesso e possono essere utilizzati solo come metodi di laboratorio. I metodi di misurazione online dell'umidità dei gas di combustione utilizzati nel sistema CEMS in Cina sono il metodo della capacità e il metodo della corrente limite. Entrambi questi metodi appartengono a sensori di umidità elettronici. Le prospettive di applicazione sono ampie, ma la protezione dall'inquinamento e la stabilità a lungo termine devono essere migliorate. Tuttavia, il metodo dell'ossigeno secco-umido presenta un errore elevato e il metodo dell'assorbimento infrarosso è costoso, quindi viene utilizzato meno frequentemente. Anche il generatore di umidità a temperatura normale è difficile da soddisfare i requisiti di calibrazione dello strumento di misurazione dell'umidità dei gas di combustione. Lo sviluppo di generatori ad alta temperatura e umidità è necessario e rappresenta anche un problema tecnico.