מבוא ופיתוח יישומים של מנתח גזי פליטה מקוון לטמפרטורה גבוהה ולחות

מבוא ופיתוח יישומים של מנתח גזי פליטה מקוון לטמפרטורה גבוהה ולחות

הַקדָמָה

מדידת לחות גזי הפליטה בגזי הפליטה ממקור זיהום קבוע נועדה בעיקר לקבלת תכולת חמצן יבשה כדי לחשב את התכולה בפועל של גזי הפליטה ופליטות זיהום גזים. בשל הטמפרטורה הגבוהה של גזי הפליטה הרטובים, כמות האבק הגדולה וההבדל הגדול במרכיבי גזי הפליטה של ​​הדוד או הכבשן התעשייתי המשמשים בתחומים תעשייתיים כמו תחנות כוח תרמיות, מפעלים פטרוכימיים, מפעלי שריפת אשפה, מפעלי פלדה וכו', בנוסף, מדידת לחות בעולם היא בעיה קשה, ולכן זיהוי מקוון של לחות גזי פליטה קשה מאוד. בשנים האחרונות, מדידת טמפרטורה ולחות גבוהות של גזי פליטה ביתיים נעשתה בעיקר באופן ידני, כלומר, בהתאם לדרישות GB/T 16157-1996 "שיטת קביעת חומר חלקיקי ודגימה של מזהמים גזיים בפליטת מקור זיהום קבוע", נבחרו שיטת המשקל, שיטת העיבוי ושיטת הכדור הרטוב-יבש לקביעה, והערך הממוצע הוזן למערכת CEMS. עם התפתחות והתקדמות הטכנולוגיה והתשומת לב הגוברת והולכת להגנה על הסביבה הלאומית, קיימות כיום ארבע שיטות מדידה מקוונות של טמפרטורה ולחות גבוהות של גזי פליטה בסין: 1. שיטת קיבול התנגדות 2. שיטת עקרון תחמוצת זירקוניום מסוג זרם גבול 3. שיטת הזרקת פגיעה (כדור יבש ורטוב) 4. שיטת ספיגת ספקטרום אינפרא אדום.

1. שיטת קיבול התנגדות

שיטת ההתנגדות-קיבול המשמשת למדידת טמפרטורה ולחות גבוהות של גזי פליטה בסין היא שיטת הקיבול. החיישנים המשמשים בשיטה זו משתמשים בעיקר בפוליאימיד כחומר רגיש ללחות. לפולימר הרגיש ללחות, העשוי מחומר זה, ביצועים חשמליים טובים, והקבוע הדיאלקטרי וההפסד הדיאלקטרי שלו קטנים מאוד. הקבוע הדיאלקטרי של פוליאימיד הוא 2~3 במצב של ייבוש מלא, והקבוע הדיאלקטרי של מולקולת המים הוא כ-80 ב-20°C. הקבוע הדיאלקטרי המחודש לאחר ספיחה של מולקולת המים הוא:

εu=εr+aWuεh (1)

Wu=b(p/p0)εr+ aWuεh(2)

εu היא הלחות היחסית של הקבוע הדיאלקטרי המרוכב u%RH, εr היא הלחות של 0%RH, הקבוע הדיאלקטרי של סרט הפוליאימיד, a ו-b הוא קבוע המבנה, εh הוא הקבוע הדיאלקטרי של המים הנספחים בסרט הפוליאימיד, Wu היא הלחות u%RH, מסת המים הנספחים על ידי יחידת המסה של הפולימר, p/p0 הוא הלחץ היחסי של שיווי משקל אדי המים. כאשר הקיבול הרגיש ללחות של מקרומולקולה סופג את מולקולות המים הגזיות בסביבה, הקבוע הדיאלקטרי של החומר משתנה, ובכך גורם לשינוי ערך הקיבול; ערך הלחות הסביבתי המתאים מחושב על ידי מדידת ערך הקיבול של השינוי. כיום, חיישן הקיבול-קבל רגיש ללחות פולימר המשמש למדידת טמפרטורה ולחות גבוהה בגז פליטה מאמץ מבנה קבל שטוח, המורכב בעיקר ממצע זכוכית, אלקטרודה תחתונה, סרט רגיש ללחות פולימרי, אלקטרודה עליונה וכדומה. לפי הנוסחה של קבל שטוח, ניתן לבטא את הקשר בין הקיבול ללחות יחסית כך

איור 1 דיאגרמת מבנה של קיבול רגיש ללחות של פולימר

ערך הקיבול של הקיבול הרגיש ללחות Ch, ε0 הוא קבוע הדיאלקטרי בוואקום, S הוא שטח אלקטרודת הקיבול הרגישה ללחות, D הוא המרחק בין אלקטרודות הקיבול הרגישות ללחות, וגם עובי הסרט הרגיש ללחות. מהנוסחאות (1), (2) ו-(3) ניתן לראות שהקשר בין קיבולת הספיחה המולקולרית של המים של הקיבול הרגיש ללחות לבין הלחץ היחסי של שיווי משקל אדי המים צריך להתאים לאיזותרמת הספיחה של הרי, כלומר, הקשר בין קיבולת הקיבול ללחות היחסית הוא ליניארי.

לסיכום, ניתן לראות כי מדידת לחות בטמפרטורה גבוהה משקפת את הלחות היחסית בגז הפליטה באמצעות שיטת נפח ההתנגדות, בהתאם להגדרת הלחות היחסית: ניתן לבטא את הלחות היחסית כיחס בין לחץ המים ללחץ אדי המים הרוויים בטמפרטורה ולחץ מסוימים. בהתאם להגדרה, הלחות היחסית והטמפרטורה קשורות זו לזו באופן הדוק, וביישום מעשי, אנו זקוקים לערך הלחות של גז הפליטה כיחס נפח, דבר הנוח לחישוב תכולת החמצן היבש בגז הפליטה. לכן, על מנת לחשב את יחס הנפח של אדי המים בגז הפליטה, יש צורך למדוד את טמפרטורת הסביבה של חיישן הלחות.

בהתאם לשימוש בפועל של מד לחות גזי פליטה בשיטת ההתנגדות-קיבול, לשיטת ההתנגדות-קיבול יש מאפיינים של זמן תגובה מהיר, נפח קטן, ואי קלות לנזק בעת עיבוי מים. החיסרון הוא שטמפרטורת גזי הפליטה אינה יכולה לעלות על 170 מעלות צלזיוס, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך הנתונים ינועו בקלות רבה יותר ויחס הנפח נמוך מ-6% מהלחות אינו קל למדידה. הסיבה לכך היא שהלחות היא 0-40% (יחס נפח) של גז מים (מעל 30 מעלות צלזיוס), כאשר הטמפרטורה (מעל 100 מעלות צלזיוס) תואמת לחץ מים רוויים, ככל שהלחות היחסית גדולה יותר, כך שינוי הקיבולת המתאים יהיה קטן יותר. אך טווח או רזולוציה של שינוי הקיבול מוגבלים. שלישית, גזי פליטה משריפת פסולת, גזי פליטה מטלורגיים וכן הלאה לרוב בעלי קורוזיביות מסוימת, האלקטרודה קלה להיכשל ואורך החיים קצר מאוד.

2. שיטה עקרונית להגבלת זרם הזירקוניה

זירקוניה מסוג זרם מוגבל פועלת באמצעות עקרון משאבת חמצן זירקוניה

כלומר, ראשית, האלקטרוליט המוצק של זירקוניה מחומם לטמפרטורה גבוהה (מעל 350 מעלות צלזיוס), בו זמנית, מתח העבודה מופעל על אלקטרודות הפלטינה משני צידי האלקטרוליט המוצק של זירקוניה, מולקולת החמצן בצד הקתודה מזורזת ליוני חמצן ומונעת על ידי המתח המופעל "לשאוב" אל האנודה. זרם המוצא של החיישן אינו עולה עם עליית המתח המופעל כאשר ריכוז החמצן באטמוספרה ודאי, אלא מגיע לערך קבוע, הנקרא ערך זרם הגבול תחת ריכוז החמצן, והוא נקרא בדרך כלל פלטפורמת זרם הגבול הראשונה I1. על פי עיקרון זה, על ידי הצבת חיישן זרם הגבול בסביבה המכילה אדי מים והגדלת המתח המופעל, ניתן למדוד ערך זרם גבול משמעותי, המכונה בדרך כלל שלב זרם הגבול השני I2, אם כי ערך זרם זה מכיל מולקולות חמצן ומולקולות מים המיוננות. שני ערכי הזרם המגביל הם פרופורציונליים לתכולת החמצן בסביבה ולתכולת החמצן המכילה אדי מים, בהתאמה. מנגנון המיקרו-תגובה של זירקוניה על הקתודה והאנודה הוא כדלקמן:

צד הקתודה O2+4e-→2O2- (1)

H2O+2e-→H2+O2- (2)

צד האנודה O2-→1/2O2+2e- (3)

איור 2 מבנה חיישן זירקוניום תחמוצת מסוג זרם גבול

לפי כלל Ficks של חור דיפוזיה בגז של החיישן, בהנחה שמקדמי הדיפוזיה של חמצן ואדי מים שווים, ניתן לבטא את שני ערכי זרם הגבול באופן הבא:

בנוסחה: F הוא קבוע פאראדיי

D הוא מקדם דיפוזיה של גז הערבוב

S הוא שטח חור מגביל הזרם של תחמוצת זירקוניום (חור דיפוזיה)

P הוא הלחץ הכולל של גז התערובת

R הוא קבוע הגז

T היא טמפרטורת ההפעלה של זירקוניה (K)

L הוא אורך חור דיפוזיה הגז

ניתן לחשב את תכולת החמצן בגז הפליטה לפי זרם הגבול הראשון, ואת הלחות בגז הפליטה ניתן לחשב לפי ההפרש בין זרם הגבול השני לזרם הגבול הראשון. לכן, לשימוש במכשיר לחות עקרון זרם הגבול של זירקוניום אוקסיד בהשוואה למכשירי לחות עקרונות אחרים יש יתרון ברור, מכיוון שאופיו הוא מדידת חמצן ועל מנת למדוד לחות יש למדוד חמצן, עבור המשתמש, אין צורך להתקין מנתח מדידת חמצן, מכשיר לחות יכול לספק שני נתוני מדידה בו זמנית.

מהשימוש בפועל בשיטת עקרון זירקוניום תחמוצת הזרם המגביל של מד לחות, היתרונות הם נפח קטן, דיוק מדידה גבוה, ניתן להשתמש בטמפרטורת גזי פליטה מטמפרטורה רגילה עד 500 מעלות צלזיוס, ביצועי עלות גבוהים. החיסרון הוא שלא ניתן להפעיל את המכונה במים נוזליים או במים נוזליים, והמכונה קלה להרעלה באטמוספרת גזי פליטה המכילה יותר סיליקון דו-חמצני או מתכות כבדות כגון ארסן ועופרת.

למעשה, כאשר מוזכרת אלקטרודה קטליטית של תחמוצת זירקוניום, אלקטרודת פלטינה נדרשת בדרך כלל להסרת גופרית בגלל תכולת הגופרית הגבוהה של פחם בסין. עם זאת, הקצוות הקדמיים והאחוריים של מגדל הסרת הגופרית צריכים לעתים קרובות לנטר את גז הפליטה, אך אם אלקטרודת הפלטינה של זירקוניה עובדת בסביבת גז פליטה עם תכולת SO2 גבוהה במשך זמן רב, גם חיי השירות יושפעו מאוד. לכן, בשימוש מעשי, כגון כניסת הסרת גופרית, שחזור גופרית מגז טבעי, שריפת פסולת וכן הלאה, אלקטרודת תחמוצת זירקוניום המשתמשת באלקטרודת פלטינה קלה להישחק. בשנים האחרונות, על מנת לפתור את השפעת האווירה הקורוזיבית על חיי השירות של זירקוניה מסוג זרם מוגבל, חיישן הזירקוניה שאומץ על ידי משדר הלחות PC18 של Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. עשה חדשנות נועזת. אלקטרודת הזירקוניה הקטליטית שונתה לאלקטרודה קרמית, מה שפתר את היישום של זירקוניה מסוג זרם מוגבל בתנאים של שריפת פסולת רפואית, תעשייה פטרוכימית, VOC וכו' בבת אחת.

משדר לחות PC18

3. שיטת סילון פגיעה (כדור יבש-רטוב)

העיקרון הבסיסי של מדידת לחות בשיטת כדור יבש-רטוב: חיישן טמפרטורה משמש למדידת טמפרטורת גז הפליטה כטמפרטורת הכדור היבש, בריכת מדידה משמשת להעמסת כמות מסוימת של מים, לאחר מכן חיישן טמפרטורה מסודר בבריכת המדידה, וחיישן הטמפרטורה נדרש להיות מסודר מתחת לפני המים, ולאחר מכן גז הפליטה פוגע ברציפות בפני המים ישירות מעל חיישן הטמפרטורה של בריכת המדידה, והטמפרטורה הנמדדת נלקחת כטמפרטורת הכדור הרטוב. על פי עקרון העברת החום ותורת התרמודינמיקה, ניתן לגזור את הנוסחה המתמטית הבאה:

בנוסחה:

לחות יחסית %

לחץ מים רוויים בטמפרטורת כדור רטוב

לחץ מים רוויים בטמפרטורת כדור יבש

לחץ אטמוספרי

ההבדל בין טמפרטורות כדור יבש לכדור רטוב

קבוע, קשור למהירות הרוח

על פי הנוסחה המתמטית לעיל, אנו יכולים לדעת בבירור ששיטת הזרקת הפגיעה למדידת הלחות בגז הפליטה מושגת על ידי מדידה עקיפה של טמפרטורת גז הפליטה. טכנולוגיית מדידת הטמפרטורה היא יחסית בוגרת ואמינה. גם אם תנאי העבודה גרועים מאוד, החלפת חיישן הטמפרטורה מהירה מאוד.

בהתאם למצב היישום המעשי של מפעל להשבת גופרית בגז טבעי, מפעל לעיבוד מזון, מפעל טקסטיל, מפעל שריפת אשפה וכו', מכשיר הריסוס בעל לחות בטמפרטורה גבוהה (כדור יבש-רטוב) בעל חיי שירות ארוכים (נכון לעכשיו, בשימוש כבר חמש שנים רצופות ועדיין פועל כרגיל), הנתונים הנמדדים מדויקים ואמינים, בעל יכולת הסתגלות חזקה לסביבה קשה, טווח הסתגלות רחב לטמפרטורה ותחזוקה מועטה. החיסרון הוא המחיר הגבוה, הנפח גדול ויש צורך להוסיף מים באופן קבוע.

למרות ששיטת הזרקת הפגיעה היא עקרון העבודה של כדור יבש ורטוב, אך היא אינה שימוש נפוץ במחלקה המטאורולוגית למדידת הלחות היחסית של לחות האוויר, כגון Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd. CI-PC39 הוא חדש לגמרי או אפילו עיצוב חדשני, כדי להשיג את אפקט המדידה הנ"ל.

מנתח לחות CI-PC39

4. שיטת ספיגה אינפרא אדום

בליעת ספקטרום רחב של אינפרא אדום מבוססת על העיקרון שבליעה סלקטיבית של מולקולות אדי מים באורכי גל אינפרא אדום ספציפיים משתנה עם ריכוזן. עם זאת, מאז 1912, כאשר פאול הציע לראשונה את מדידת הלחות באינפרא אדום, מדידת הלחות איטית עקב טכנולוגיית בליעת ספקטרום רחב המוגבלת על ידי טכנולוגיית בליעת אינפרא אדום מסורתית. עם ההתפתחות המהירה של ספקטרוסקופיית לייזר מוליך למחצה (DLAS) בשנות ה-90, פותח מנתח מקוון של טמפרטורה ולחות גבוהה לגזי פליטה. בהשוואה לספקטרוסקופיית בליעת אינפרא אדום מסורתית, טכניקת DLAS שייכת לבליעה בעלת ספקטרום צר, מכיוון שרוחב הספקטרלי (פחות מ-0.0001 ננומטר) של מקור לייזר מוליך למחצה קטן בהרבה מהרחבת קו בליעת הגז. לכל מולקולת גז יש ספקטרום בליעה מובנה משלה, כאשר ספקטרום הפליטה של ​​מקור האור חופף לספקטרום הבליעה של מולקולת הגז, עוצמת הבליעה קשורה לשבר הנפח של הגז. במסד הנתונים הרלוונטי, ניתן למצוא כי בליעת גז המים חזקה מאוד ליד קו הבליעה באורך גל של 1390 ננומטר ואין בליעת הפרעות ברורה של גזים אחרים. כאשר לייזר מוליך למחצה בעוצמה I0 עובר דרך הגז המיועד למדידה, אם ספקטרום מקור האור מכסה את ספקטרום הבליעה של מולקולת הגז, האור ידעך בעת מעבר דרך הגז. על פי חוק למברט-ביר, הקשר בין עוצמת I של אור היציאה לבין עוצמת I0 של האור הפוגע וריכוז נפח הגז הוא:

בנוסחה (1), I ו-I0 הם עוצמת האור היוצאת והאור הפוגע בהתאמה; α(λ) זהו מקדם הבליעה של התווך עם יחידת ריכוז ויחידת אורך באורך גל מסוים. C הוא ריכוז הגז שיש למדוד, L הוא המסלול האופטי.

על מנת להשיג רגישות גבוהה יותר או גבוהה יותר ולהפחית את רעש ה-1/f של הלייזר, טכניקת DLAS דורשת בדרך כלל טכניקת גילוי ספקטרום אפנון. טכניקה זו מפחיתה משמעותית את השפעת רעש הלייזר על המדידה באמצעות אפנון תדר גבוה. במקביל, ניתן להשיג מסנן מעביר פס צר על ידי הגדרת קבוע זמן גדול יותר עבור הגלאי הרגיש לפאזה המשמש בטכניקת גילוי רגישה לפאזה (גילוי רכיבים הרמוניים), ובכך לדחוס ביעילות את רוחב הפס של הרעש.

כאשר משתמשים במנתח לחות גזי פליטה בטמפרטורה גבוהה שפותח על ידי DLAS למדידת גזי פליטה, ההמצאה שייכת למדידה ללא מגע, שאינה יכולה להיגרם על ידי הרעלת חיישן או להיות מופרעת על ידי גז רקע. להמצאה יתרונות של זמן תגובה מהיר, דיוק גבוה של נתוני המדידה, תקופת כיול ארוכה וכמעט ללא תחזוקה. החיסרון הוא המחירים הגבוהים.

5. מגמת פיתוח

כידוע לכולנו, מרכיבי הליבה של מכשירי ניתוח מקוונים בחיישנים, במדינה שלנו חלשים עקב תחילת דרכם המאוחרת והתעשייה הבסיסית. למרות שאחרי שנים של פיתוח, יצרני מכשירי ניתוח מקומיים עשו התקדמות רבה בטכנולוגיית הליבה, עדיין קיים פער ברור מאוד בהשוואה למדינות זרות. רוב יצרני מכשירי הניתוח המקומיים קונים חיישנים זרים ולאחר מכן מתכננים את המכשיר השני כדי להיכנס לשוק התחרותי במחירים הומוגניים. אנשים עצובים ששוק המכשירים האנליטיים הזול (שוק היוקרתי כמעט מונופול על ידי מדינות זרות) ישפיע או יעכב בטווח הארוך את התפתחות תעשיית מכשירי הניתוח המקומית.

כיום, עקב סיבות מחיר, מכשיר לחות בטמפרטורה גבוהה מקוון מאמץ בעיקר את שיטת קיבולת ההתנגדות ואת סוג הזרם המגביל זירקוניה בשוק. מכשיר לחות בטמפרטורה גבוהה המבוסס על עקרון שיטת סילון הפגיעה (כדור יבש-רטוב) ושיטת ספיגת ספקטרום אינפרא אדום מחזיק בנתח שוק נמוך מאוד. חברת Shanghai Chang Ai Electronic Technology Co., Ltd., באמצעות מאמצים ארוכי טווח ובלתי פוסקים, פיתחה באופן עצמאי את חיישן זירקוניום תחמוצת הזרקוניום המקוון הנ"ל, מכשיר לחות בטמפרטורה גבוהה לגזי פליטה, ואת שיטת הזרקת הפגיעה של מאגר מדידת רכיבי הליבה. כמה מכוני מחקר מדעיים מקומיים כמו China Electrical Science 49 יכולים גם לבצע את החיישן של מכשיר הלחות בטמפרטורה גבוהה באמצעות שיטת קיבול ההתנגדות, אך הביצועים אינם יציבים, רחוקים מתיעוש, נכון לעכשיו השוק מתוכנן בעיקר בחו"ל. דיודת לייזר מוליך למחצה, הרכיב הליבה של מכשיר לחות בטמפרטורה גבוהה לגזי פליטה מקוון באמצעות שיטת ספיגת ספקטרום אינפרא אדום, אינה ניתנת ליישום על ידי יצרנים מקומיים. רק גרמניה, ארצות הברית, הולנד ומספר מדינות אחרות יכולות לעשות זאת. היעדר או מחסור בטכנולוגיית ליבה מגבילים את הפיתוח וההתקדמות של מכשיר מקוון למדידת לחות בטמפרטורה גבוהה של גזי פליטה.

בעתיד, פיתוח מכשיר לחות מקוון לגז פליטה בטמפרטורה גבוהה יוגבל על ידי גורמים שונים. מכשיר הלחות של ארבעת העקרונות הנ"ל יתקיים בו זמנית. ניתן לחזות שמכשיר הלחות של שיטת קיבולת ההתנגדות ועקרון תחמוצת זירקוניום מסוג זרם גבול ישפרו עוד יותר את האמינות ואת חיי השירות. מכשיר הלחות בשיטת הזרקת ההשפעה יפחית עוד יותר את הנפח, יפחית את העלות ויגדיל את נתח השוק. מד לחות ספיחת אינפרא אדום אמור להיות המבטיח ביותר, והוא מייצג גם את כיוון הפיתוח של מכשיר ניתוח גז מקוון. אך אם יצרנים מקומיים לא יוכלו לפתור את הפיתוח והייצור של דיודת לייזר מוליכים למחצה, הדבר יגביל את צמצום העלות וישפיע על קידום השוק. גם אם ספקים זרים יפחיתו את המחיר, מפעלים מקומיים יוכלו לעבוד רק עבור מפעלים זרים, ולאחר מכן לנהל תחרות במחיר נמוך בסין ולהילחם במלחמת מחירים. אנו מקווים שאיגוד התעשייה המקומי של מכשירי ניתוח מקוונים או משרדי ממשלה רלוונטיים יוכל לקדם שיתוף פעולה בין אוניברסיטאות, מכוני מחקר מדעיים ומפעלים, להשלים את היתרונות זה של זה, לשבור את המונופול של יצרנים זרים במועד מוקדם, ולאפשר לתעשיית מכשירי הניתוח של סין לנוע לכיוון הקצה הגבוה.