לחות גזי פליטה עם מקור זיהום קבוע

בניטור קונבנציונלי של פליטת גזי פליטה, לחות גזי הפליטה היא פרמטר חשוב, והוא גם הקשה ביותר למדידה מדויקת. מדידת הלחות עצמה מושפעת מגורמים אחרים (לחץ אטמוספרי, טמפרטורה), ומדידת לחות גזי פליטה צריכה להתמודד גם עם בעיות של טמפרטורה גבוהה, אבק גבוה, לחות גבוהה, לחץ שלילי וקורוזיה.

בנוסף, כיול לחות הוא בעיה קשה. הסיבה לכך היא שקשה לייצר מחולל לחות בטמפרטורה גבוהה, ולכן הדבר משפיע על מדידת מכשיר מדידת הלחות המקוון. על מנת לאמת ולכייל את מכשיר לחות גזי הפליטה, חייב להיות מכשיר המסוגל לייצר מקור לחות סטנדרטי וסטנדרט לחות. ניתן להשתמש בשיטת מדידת לחות המסוגלת לבצע מדידה מוחלטת של לחות כמדד לחות. ניתן להשתמש גם בגזים עם לחות ידועה כמדדי ייחוס ללחות. התקן "שיטת דגימה של מזהמים חלקיקים וגזים בפליטת מקור זיהום קבוע" (GB/T16157-1996) קובע שלושה סוגים של שיטות מדידת לחות גזי פליטה: שיטת עיבוי, שיטת משקל ושיטת כדור יבש-רטוב, המשמשות כשיטת ייחוס למדידת לחות גזי פליטה וניתן להשתמש בהן לכיול מכשיר לחות גזי פליטה. בנוסף, מחולל הלחות מייצר לחות קבועה בטמפרטורה ולחץ מסוימים, וניתן להשתמש בו גם לכיול מד לחות גזי הפליטה.

1. מבוא לשיטת מדידת לחות גזי פליטה

שיטת כדור יבש-רטוב

שלוש שיטות הייחוס של לחות בתקן GB/T16157-1996 אינן אידיאליות ביישום מעשי. שיטת המשקל ושיטת העיבוי מורכבות, תנאי הבדיקה גבוהים וזמן הבדיקה ארוך. שיטת הכדור היבש-רטוב פשוטה, אך השגיאה גדולה.

הבעיה העיקרית במדידת לחות גזי פליטה בשיטת הכדור היבש-רטוב היא שטמפרטורת גזי הפליטה גבוהה, לרוב גבוהה מ-100 מעלות צלזיוס, אך טמפרטורת הכדור היבש אינה יכולה להגיע לטמפרטורת גזי הפליטה בפועל.

הטמפרטורה בדרך כלל נמצאת בין טמפרטורת הסביבה לטמפרטורת גזי הפליטה, מה שמביא לשגיאת מדידה קבועה. זונג נינגשנג מאמין שכאשר מודדים את לחות גזי הפליטה באמצעות שיטת הכדור הרטוב-יבש, יש לקחת בחשבון את הפעולות הבאות: כאשר מחוון הטמפרטורה יציב ואינו עולה עוד, ניתן לבצע את הקריאות (5-10 דקות). צינור החיבור בין צינור הדגימה למדחומים היבשים והרטובים קצר יותר, ודופן הצינור אינה מתאימה להיות דקה, כדי למנוע ירידה מוגזמת בטמפרטורת גזי הפליטה. באקלים קר, יש להשתמש בצינורות דגימה לחימום.

צ'אנג-איי שיפרה את מדחום הכדור היבש-רטוב ואת צינור הדגימה המחומם של גזי הפליטה כדי למנוע שגיאות של הגעה לנקודת הטל של גזי הפליטה ועיבוי קיטור בצינור הדגימה.

איור 1CI-PC39 מתווה

בהתאם לטמפרטורת גזי הפליטה בפועל בנקודת המדידה, על ידי שינוי טמפרטורת החימום של צינור הדגימה, נמנע ההבדל בין טמפרטורת גזי הפליטה הנכנסים לתא הכדור היבש-רטוב לבין טמפרטורת גזי הפליטה בנקודת הדגימה. הדיוק והיציבות של מד הלחות היבש-רטוב תוצרת בית נחקרו באמצעות שיטת נורה יבשה-רטוב סטנדרטית ושיטת המשקל. התוצאות מראות שנתוני הלחות הנמדדים על ידי מד הלחות אמינים ויעילים, ובעלי תגובה רגישה לשינוי הלחות של גזי הפליטה, ויכולים לעבוד ברציפות וביציבות. למרות ששיטת סילון הפגיעה היא עקרון העבודה של הכדור היבש והרטוב, הוא אינו מכשיר לחות נפוץ הדומה למחלקת מזג האוויר למדידת הלחות היחסית של האוויר. מכשיר לחות זה הוא חדש לגמרי או אפילו בעל עיצוב חדשני חדש לגמרי, כדי להשיג את תוצאות המדידה לעיל, איור המוצר המייצג שלו מוצג באיור 1.

הנדסת המדידה של Chang-Ai יושמה בהצלחה בתהליכי מדידה בטמפרטורה גבוהה ולחות גבוהה, כמו גם בתהליכים עם גזים קורוזיביים ואבקיים. בתהליכים רבים, על מנת להבטיח את איכות המוצר, שימוש יעיל באנרגיה או השגת מטרת הפחתת פליטות, יש צורך לנטר ולשלוט בלחות גז התהליך. CI-PC39 הוא מד לחות תהליך העונה על הדרישות התעשייתיות המחמירות ביותר, כולל עמידות בפני קורוזיה, פעולה רציפה וחוסר רגישות ללכלוך.

שיטת עיבוי

עקרון שיטת העיבוי הוא שנפח מסוים של גז פליטה מופק מהארובה ועובר דרך המעבה, ותכולת המים בגז הפליטה מחושבת לפי כמות המים המעובים ותכולת אדי המים של הגז הרווי הנפלט מהמעבה. עקרון שיטת המשקל הוא שנפח מסוים של גז פליטה מופק מהארובה כך שהלחות בגז הפליטה נספגת על ידי צינור ספיגת הלחות על ידי חומר ספיגת הלחות דרך צינור ספיגת הלחות המלא בחומר ספיגת הלחות, ומשקל צינור ספיגת הלחות בגז הפליטה הוא רכיב המים הכלול בנפח הידוע של גז פליטה. שתי השיטות דומות בעיקרון. ריכוז המסה של לחות גז הפליטה מתקבל ישירות על ידי שקילת תכולת הלחות וחלוקת נפח הדגימה, ולאחר מכן ריכוז המסה מומר לאחוז נפח.

שיטת הכדור היבש-רטוב קלה לתפעול ובעלת יכולת הסתגלות חזקה. זוהי שיטת מדידה מקוונת נפוצה ללחות גזי פליטה. לשיטת העיבוי ולשיטת המשקל יש דיוק גבוה יותר, אך הבדיקה מסובכת, נדרשת עבודה גבוהה מצד כוח האדם, זמן הבדיקה ארוך, והשיטה אינה מתאימה למדידה מקוונת של לחות גזי פליטה, וניתן להשתמש בה רק כשיטת מעבדה ושיטת מדידה מקוונת לבדיקת השוואה.

שיטת עיכוב

כאשר חומר ממוקם בין זוג אלקטרודות, הקיבול בין האלקטרודות ישתנה כאשר הוא סופג אדי מים. ניתן לקבל את תכולת הלחות של גז הפליטה על ידי מדידת שינוי הקיבול של חומר סופג הלחות, הנקרא חיישן לחות קיבולי. למכשיר הלחות הקיבולי המסורתי יש כמה בעיות ברגישות החיישן, היסטרזיס הלחות, מקדם הטמפרטורה ויציבות לטווח ארוך.

ההמצאה מתייחסת למד לחות גז פליטה מקוון עמיד בנפח ובטמפרטורה גבוהה, מוצר פטנטי, שהוא מד לחות משופר בשיטת קיבוליות, בעל עמידות טובה בפני קורוזיה ורגישות גבוהה. הוא משתמש בחיישן לחות קיבולי של סרט פולימרי.

כחיישן לחות, חיישן טמפרטורה התנגדות פלטינה משמש לפיצוי טמפרטורה. עקרון הפעולה מוצג באיור 1, אדי המים עוברים דרך האלקטרודה העליונה של חיישן הלחות בעל קיבוליות הסרט המולקולרי הגבוה, ומגיעים לסרט הפולימר הפעיל המולקולרי הגבוה. מכיוון שגודל החיישן קטן וסרט הפולימר דק מאוד, החיישן יכול להגיב במהירות לשינויי הלחות בסביבה הסובבת.

איור 2 דיאגרמת בלוקים של עקרון העבודה של מד מים עם התנגדות וקיבולת

אדי המים הנספגים בפולימר משנים את המאפיינים הדיאלקטריים של החיישן ומשנים את ערך הקיבול של החיישן, ממירים את אות הפלט של חיישן הלחות הקיבולי לערך מתח, ומוציאים אות מתח טמפרטורה דרך חיישן הטמפרטורה כדי לבצע פיצוי אוטומטי של הטמפרטורה. מד הלחות יכול למדוד את תכולת המים בטווח של 0~20%±2% מתחת לטמפרטורת העשן ≤180°C.

בשנים האחרונות, נערכו מחקרים רבים בחיפוש אחר חומרי תקשורת טובים יותר לחישת לחות. ביניהם, חומרים פולימריים אורגניים משכו תשומת לב רבה בשל רגישותם הגבוהה, תגובתם המהירה והיסטרזיס הלחות הקטן שלהם. ישנם שני סוגים עיקריים של חומרי תקשורת רגישים ללחות: סדרת CAB (צלולוז אצטט בוטיראט) וסדרת P (פוליאימיד).

חיישן לחות קיבולי מפולימר אורגני היה עשוי במקור מתאית אצטט ונגזרותיו. כיום, תאית אצטט נמצא בשימוש העיקרי. חברת Sakai היפנית השוותה את התכונות של נגזרות תאית שונות וחקרה את תכונות הקיבול, הטמפרטורה והאיזותרמות הספיגה. התוצאות מראות שכדי לייצר חיישן לחות שאינו היגרוסקופי, יש לרסן את כמות המים ואסור שתתרחש אינטראקציה בין המולקולות. מוצע שחומר תאית אצטט, במיוחד אלמנט העשוי מאלקטרודת זהב נקבובית, לא רק בעל מהירות תגובה מהירה, אלא גם בעל היסטרזיס היגרוסקופי מועטה.

מטסוגוצ'י הציע סינתזה של פולימרים נמוכים עם קבוצות אצטילן בשני קצוות הפולימיד. במצב פולימרי נמוך, התמיסה משמשת להמסה, והסרט מצופה על המצע ליצירת סרט, ולאחר חימום מתקבל מבנה קישור סטריאוטיפי לפולימיד, שאינו קל להמסה במים. מכיוון שהחומר אינו מופרד מהמים כאשר הוא מתמצק, וקשה ליצור חורים זעירים על הסרט הקשה, זהו חומר רגיש ללחות עם עמידות טובה למים. התוצאות מראות כי לאלמנט הרגיש ללחות של הפולימיד המותאם יש מהירות תגובה מהירה וכמעט ללא היסטרזיס. מקדם הטמפרטורה קטן, עמידות הממס (אצטון) טובה גם כן, והיציבות משופרת מאוד.

צ'ן שינגג'ו הציע סוג חדש של חיישן לחות מסוג סרט דיאלקטרי מרוכב קיבולי. הסרט הדיאלקטרי שלו מורכב משני סוגים של PI(CAB) בעלי מאפייני פלט וטמפרטורה ליניאריים שונים. בהשוואה לחומרים בודדים של PI ו-CAB, לחומר המרוכב יש היסטרזיס קטן, שגיאה לא ליניארית קטנה ומקדם טמפרטורה קטן, ויש לו שיפור ניכר ביכולת חזרה וביציבות לטווח ארוך. הוא מספק רעיון חדש לתכנון פונקציונלי של חומר דיאלקטרי של חיישן לחות קיבולי. איור המוצר המייצג שלו מוצג באיור 3.

איור 3 פרופיל חיישן נקודת הטל CI-XS200

היתרונות העיקריים של שיטת הקיבול הם רגישות גבוהה, תגובה מהירה, ייצור קל, מימוש קל של מזעור ואינטגרציה. כיום, מכשיר הלחות המקוון של גזי פליטה בסין מציע יישומים רבים, אך היציבות ארוכת הטווח אינה אידיאלית, ורוב השימוש ארוך הטווח בסחיפה הוא חמור, וגורם לכשל ונזק. לחיישן לחות קיבולי יש עמידות נמוכה יותר בפני קורוזיה, מה שלעתים קרובות דורש ניקיון גבוה יותר לסביבה. בחלק מהמוצרים עדיין יש תופעות כמו כשל תאורה וכשל אלקטרוסטטי. בקיצור, זוהי שיטה שמשתפרת כל הזמן.

שיטת הגבלת הזרם

על פי מחקר תיאורטי מעמיק, באמצעות מספר רב של ניסויים, השימוש בחיישן זרימת יונים יכול להשיג מדידה מדויקת של לחות. על ידי שינוי המתח המופעל על הקתודה והאנודה של החיישן, ניתן למדוד את הלחות. ממצא זה פותר את הבעיה שחיישן לחות רגיל אינו יכול להסתגל לסביבה בטמפרטורה גבוהה (לדוגמה, גבוהה מ-100 מעלות צלזיוס).

מתח הפעלה מופעל על האנודה והקתודה של הזירקוניה כדי לספק שדה חשמלי להנעת יוני חמצן מהקתודה ויצירת זרם יוני חמצן דרך הזירקוניה לאנודה. כאשר ריכוז החמצן באטמוספרה הנמדדת ודאי, ערך הזרם של חיישן הזירקוניה אינו עולה עם עליית המתח המופעל, ומגיע לערך קבוע. ערך זרם קבוע זה נקרא ערך זרם הגבול של ריכוז החמצן, אנו מכנים זאת ערך זרם הגבול הראשון. על פי עקרון העבודה, כאשר האטמוספרה הנמדדת מכילה אדי מים, על ידי הגדלת המתח המופעל, אדי המים גם הם מיונים ליוני חמצן, וכאשר ריכוז אדי המים באטמוספרה הנמדדת קבוע, חיישן הזירקוניה מוציא ערך זרם קבוע, הנקרא ערך זרם הגבול השני.

איור 4 הקשר בין זרם גבול למתח יישומי

איור 5 דיאגרמת עקומה של זרם גבול הפלט של החיישן תחת אדי מים

התגובה בקתודה ובאנודה של החיישן היא כדלקמן:

צד קתודה ：O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- → H2+O2- (5)

צד האנודה: O2- → 1/2O2+2e- (6)

לפי כלל Ficks של גבול דיפוזיה של גזים של החיישן, זרם הגבול הראשון I1 וזרם הגבול השני I2 מיוצגים בהתאמה על ידי הנוסחה הבאה בתנאי שמקדם הדיפוזיה של חמצן שווה למקדם הדיפוזיה של אדי מים:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

בנוסחה: F הוא קבוע פאראדיי, D הוא מקדם הדיפוזיה של מולקולת הגז המעורב, S הוא שטח חור הדיפוזיה, P הוא הלחץ הכולל של הגז המעורב, לחץ חלקי של PO2, לחץ חלקי של אדי מים PH2O, R הוא קבוע הגז, T היא הטמפרטורה המוחלטת, L הוא אורך חור הדיפוזיה של הגז, 0.21 הוא תכולת החמצן באוויר.

טווח היישום של מדידת לחות זרם יונים הוא:

חברת Chang Ai Co., Ltd., בשיתוף פעולה עם ד"ר ג'אנג יי קאן (סיני, הראשון שהציג את חיישן הזירקוניה מסוג זרם קיצוני לסין) וצוותו, יאנג באנג צ'או, מנהל המכון למיקרואלקטרוניקה וחומרים מוצקים באוניברסיטת צ'נגדו למדע וטכנולוגיה אלקטרונית, היו חלוצים ביישום חיישני זרם יונים במדידת טמפרטורה ולחות גבוהים. בשנת 2006, החברה הציגה לראשונה את מכשיר הלחות GRL-12 בטמפרטורה גבוהה המבוסס על חיישן זרימת יונים (איור 5), ולפני האולימפיאדה הירוקה 2008, מספר רב של יישומים במפעלי קוקס בשאנשי, ניטור פליטות מתחנות כוח תרמיות, להגנה וניטור סביבתיים הפכו למיזם מקומי בשל המחויבות והתרומה. בפיתוח של יותר מעשר שנים, חברת צ'אנג'אי פיתחה מספר רב של מכשירי ניתוח לחות המבוססים על חיישני זרימת יונים, כגון משדר לחות מסדרת CI-PC18, צג לחות קרקע CI-PC19, מנתח לחות בטמפרטורה גבוהה מסדרת CI-PC168, מערכת גילוי לחות לתעשיית המזון CI-PC193, ומערכת ניתוח לחות בטמפרטורה גבוהה מסדרת CI-PC196, המייצגת את איור המוצר, ראה איור 6.

איור 6 פרופיל היגרומטר טמפרטורה גבוהה CI-PC18

מבנה חיישן:

איור 6 מבנה חיישן לחות זרימת יונים תלת-ממדי

מוצרים אלה נמצאים בשימוש נרחב בתחומי הגנת הסביבה, הדפסה וצביעה, עץ, חומרי בניין, תעשיית ייצור הנייר, התעשייה הכימית, הסיבים והרוקחות, כמו גם בתעשיית העיבוד והאחסון של מזון, טבק, ירקות ודגנים.

שיטת חמצן יבש-רטוב

חיישן החמצן של מערכת CEMS משמש למדידת תכולת החמצן לפני ואחרי ייבוש הלחות של גזי הפליטה. בעת חישוב תכולת הלחות בגז הפליטה, לחות גזי הפליטה מחושבת לפי הנוסחה הבאה:

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

בנוסחה (1), X ו-O2 הם אחוז החמצן בנפח בגז הפליטה הרטוב, %, ו-Xo2 הם אחוז החמצן בנפח בגז הפליטה היבש, %.

הבעיה העיקרית של חמצן יבש ורטוב היא שיש צורך בשני מכשירים למדידת חמצן יבש ורטוב בהתאמה. השגיאה הנגרמת מההבדל בנקודות הדגימה ושגיאות הדגימה היא כדלקמן: השגיאה של שני המכשירים מוטמעת זו בזו. שגיאות אלו קשות להתגברות עליהן בשיטה זו.

ספיגת אינפרא אדום

ספקטרוסקופיית בליעה היא טכניקה חשובה במדידת לחות מודרנית, כולל בליעה אינפרא אדום ואולטרה סגול. כיום, טכנולוגיית המדידה המבוססת על ספקטרום בליעה באינפרא אדום קרוב הפכה בוגרת יותר, ודיוק המדידה, הרגישות וטווח המדידה שלה טובים יותר משיטת ניתוח הלחות המסורתית.

שיטת ספיגת האינפרא אדום משתמשת בעיקרון שמים סופגים אור אינפרא אדום חזק באורך גל ספציפי, כאשר תכולת המים שונה, דרגת הבליעה של האור שונה, ועומדים בחוק למברט-ביר. על ידי מדידת העברת הגז באורך גל הבליעה ובאורך גל הייחוס, היחס בין העברת הגז של שני אורכי הגל הוא פונקציה של תכולת אדי המים בגז. וואן ג'יה רונג גילה שאורכי הגל הנפוצים ביותר של ספיגה הם 1.45 מיקרומטר ו-1.94 מיקרומטר, ואורכי הגל הנפוצים ביותר של ייחוס הם 1.73 מיקרומטר ו-2.1 מיקרומטר.

ישנם שני סוגים של שיטות למדידת לחות המבוססות על ספקטרוסקופיית בליעה באינפרא אדום קרוב: ספקטרוסקופיית הנחתה תהודה של דיודת לייזר (CRDS) וספקטרוסקופיית בליעה של דיודת לייזר מתכווננת (TLDAS). מהוד ה-CRDS פשוט במבנהו וקטן בגודלו, מה שמבטיח החלפה מהירה של גז, ולכן CRDS מתאים מאוד למדידה מקוונת. TDLAS היא טכנולוגיית מדידת ספקטרום בליעה יחסית בוגרת, אשר נמצאת בשימוש בתחום מדידת המיקרו-לחות, ויש לה יתרונות של רגישות גבוהה ותגובה מהירה.

עם זאת, שיטת ספיגת האינפרא אדום המשמשת למדידת לחות גזי פליטה צריכה להימנע מהפרעות של אורך גל רגיש ל-CO2/SO2/NOX, דבר שקשה לבצע, בשילוב עם מחירו הגבוה של המכשיר, ולכן היא משמשת לעיתים רחוקות למדידת לחות גזי פליטה.

מחולל לחות בטמפרטורה גבוהה

מכיוון שטמפרטורת גזי הפליטה בדרך כלל גבוהה יותר, היא כ-80°C~120°C, בעוד שמחולל לחות רגיל מייצר לחות קבועה בטמפרטורה רגילה, גם אם הלחות הקבועה מתרחשת בטמפרטורה גבוהה, קשה להבטיח שהטמפרטורה תישמר קבועה בשימוש. לעתים קרובות קשה לעמוד בדרישות אם משתמשים במחולל לחות בטמפרטורה רגילה לכיול מד לחות גזי פליטה בטמפרטורה גבוהה, מה שמביא מגבלות גדולות למחקר ויישום של מדידת לחות בטמפרטורה גבוהה. במיוחד חיישן הלחות הקיבולי, חיישן הלחות רגיש לטמפרטורה בנוסף ללחות הסביבה, וקל לייצר סחף טמפרטורה, ולכן יש צורך לפתח מחולל לחות בטמפרטורה גבוהה.

מחולל הלחות בטמפרטורה גבוהה יכול לייצר לחות יציבה בטמפרטורה גבוהה יותר. זהו מכשיר כיול נוח ואינטואיטיבי למכשיר לחות גזי פליטה. ג'אנג וון דונג פיתח סט של מחולל לחות מדויק בטמפרטורה גבוהה באמצעות עקרון שיטת הטמפרטורה הכפולה והלחץ הכפול. ניסויי יציבות הטמפרטורה בוצעו ב-50°C, 100°C ו-150°C. משך הבדיקה היה שעתיים. תוצאות הבדיקה של יציבות הטמפרטורה של מיכל שמן הרווי ותא הבדיקה היו בטווח של 0.02°C. אי הוודאות התיאורטית המקסימלית של המכשיר היא ±1.09RH. דיוק המכשיר מאומת על ידי תוצאות הבדיקה של היגרומטר בשיטת המשקל. ניתן להשתמש במכשיר לתיקון חיישן ומשדר לחות בטמפרטורה גבוהה.

2. סיכום

מדידת לחות גזי פליטה היא בעיה מוכרת. שיטת הכדור הרטוב-יבש כשיטת הייחוס שנקבעה בתקן הלאומי נוטה לייצר שגיאות בקלות. שיטת העיבוי ושיטת המשקל הן מדויקות מאוד, אך הפעולה מורכבת, וניתן להשתמש בהן רק כשיטות מעבדה. שיטת המדידה המקוונת של לחות גזי פליטה המשמשת במערכת CEMS בסין היא שיטת הקיבול ושיטת זרם גבול. שתי השיטות הללו שייכות לחיישן לחות אלקטרוני. פוטנציאל היישום רחב, אך יש לשפר את עמידות הזיהום והיציבות לטווח ארוך. עם זאת, לשיטת החמצן הרטוב-יבש יש שגיאה גדולה, ושיטת ספיגת האינפרא אדום יקרה, ולכן משתמשים בה פחות. מחולל לחות בטמפרטורה רגילה קשה גם לעמוד בדרישות הכיול של מכשיר לחות גזי פליטה. פיתוח מחולל טמפרטורה ולחות גבוהים הוא הכרחי וגם בעיה טכנית.