排ガス水分（湿度）のオンラインモニタリング技術の応用
燃料電池センサー技術
様々なバーナーや産業用・商業用ボイラーからの排ガス排出は、深刻な大気汚染を引き起こしています。排ガス中の有毒ガスや有害ガスを監視することは、環境保護活動において重要な側面です。このニーズに応えるため、連続排出監視システム（CEMS）が登場しました。CEMSは一般的に、乾燥排ガスの状態に基づいて排ガス中の汚染物質を定量化します。しかしながら、産業から排出される排ガスは理想的な乾燥ガスではなく、常に一定量の水分を含んでいます。そのため、排ガス中の湿度は排ガス汚染源監視において不可欠な測定パラメータとなっており、その測定精度は、総汚染物質排出量と濃度の計算、および排ガス浄化システムの効率評価に直接影響します。
さらに、湿度校正も大きな課題です。これは、高温湿度発生器の製造が困難であるため、オンライン湿度計の測定値のトレーサビリティに影響するためです。排ガス湿度計の検証と校正には、標準湿度源を生成できる装置、および湿度ベンチマークと標準が必要です。絶対湿度を測定できる湿度測定方法は湿度ベンチマークとして利用でき、既知の湿度レベルのガスも湿度ベンチマークとして利用できます。規格「固定発生源の排ガスから排出される粒子状物質の測定およびガス状汚染物質のサンプリング方法」（GB/T 16157-1996）では、排ガス湿度の測定方法として、乾湿球法、凝縮法、重量法の3つが規定されています。これらの3つの方法は、排ガス湿度検出の基準法として、排ガス湿度計の校正に利用できます。さらに、湿度発生器は特定の温度と圧力条件下で一定の湿潤ガスを生成することができ、排ガス湿度計の校正にも使用できます。技術の進歩と環境保護に対する国の重視の高まりに伴い、現在、中国では高温排ガス湿度のオンライン測定に、定流量注入法（乾湿球法）、抵抗容量法、ジルコニアベースのイオンフロー（制限電流）法、赤外線スペクトル吸収法の4つの主要な方法があります。
排ガス湿度測定方法の概要
>>乾湿球法
乾湿球法は、乾湿球温度と湿球温度の差効果に基づいて空気の相対湿度を測定します。湿球表面から水分子が蒸発して水蒸気になり、その際に蒸発潜熱を吸収する必要があります。継続的な蒸発は表面から熱を吸収し続け、湿球を冷却します。冷却度は、周囲の空気の相対湿度、気圧、風速によって決まります。気圧と風速が一定の場合、相対湿度が高いほど、湿球表面からの水の蒸発速度は遅くなり、湿球温度と乾球温度の差である湿球表面温度は小さくなります。逆に、湿球温度と乾球温度の差は大きくなります。したがって、乾湿球温度と湿球温度の差を測定し、相対湿度とこの温度差の関係を求めることで、相対湿度を計算できます。2,3
>>乾湿球法による湿度測定の原理
熱と水分の伝達の原理によれば、熱と水分の平衡が達成されたとき、空気から湿球への熱伝達量 Q1 は、ガーゼからの水分の蒸発に必要な潜熱 Q2 に等しくなります。つまり、Q1 = Q2 (1)
熱伝達原理に基づくと、Q1=α（t-tw）F （2）
式中、αは空気と湿球水面間の熱交換係数（W/m2・℃）、tは乾球温度（℃）、twは湿球温度（℃）、Fは湿球の表面積（m²）です。
水分移動の原理とドルトンの蒸発法則によれば、蒸発した水の質量は、周囲の空気の水蒸気飽和不足と蒸発面積に正比例し、その時の大気圧に反比例する。したがって、水分交換率[4]は次のように表すことができる。
式中、W は水分の交換速度 (kg/s)、r は蒸発潜熱 (J/kg)、β は水分交換係数 (kg/(m²·s·Pa))、F は湿球の表面積 (m²)、B は実際の気圧 (Pa)、P´q,b は湿球温度における飽和水蒸気の分圧 (Pa)、Pq は空気中の水蒸気の分圧 (Pa) です。
式（１）、（２）および（３）から導出される：
式中：乾湿計係数
したがって、相対湿度は次のようになります。
汚染源からの排ガスを監視するために用いられる乾湿球法では、一般的に、温度検出素子として同一の熱電対を2つ使用し、一方は乾球温度を、もう一方は湿球温度を測定します。乾球温度の検出素子は主排ガス流中に配置され、湿球温度の検出素子は綿ガーゼで包まれ、水容器に接続されています。湿球と周囲の排ガスは単一のシステムとして扱われ、放射熱伝導は考慮されません。乾湿球原理に基づく自動水分含有量測定装置は、マイクロプロセッサを使用して、湿球と乾球の表面温度、湿球表面の圧力、排気静圧などのパラメータを測定および収集するセンサーを制御します。湿球表面温度における飽和水蒸気圧を導出し、入力された大気圧と組み合わせて、式を使用して排ガスの水分含有量を自動的に計算します。
1-煙突;
2．乾球温度計；
3. 湿球温度計
4．断熱サンプリングチューブ；
5. 真空圧力計
6-回転メーター;
7-空気吸引ポンプ
>>定流量噴射方式
定流量噴射法（乾湿球温度法）。乾湿球湿度測定の基本原理：温度センサ（５）で排ガス温度を乾球温度として測定し、測定セル（３）に一定量の水を満たす。水槽（１）内の水はホースポンプ（２）によって測定セルに連続的に供給される。測定セル内の水位はセンサで監視され、セル内の圧力もセンサで検出され、測定精度を確保し、液体を監視する。温度センサ（６）は測定セル内に設置され、水面下に配置する必要がある。その後、排ガスを測定セル内の水面直上に一定流量で連続的に噴射し、検出された温度を湿球温度とする（図２参照）。熱伝達と熱力学の原理に基づいて、次の数式を導出できる。
式では
U—相対湿度（％）
etw—湿球温度における飽和水蒸気圧。
et—乾球温度における飽和水蒸気圧。
P—大気圧；
∆t—乾球温度と湿球温度の差。
A：風速に関連する定数。
チャン・アイの定流量噴射式高温湿度計
Chang Ai社のCI-PC39は、高温高湿環境下での測定プロセスや、腐食性ガスや粉塵を含むガスを扱うプロセスにおいて、その有効性が実証されています。多くの工業プロセスでは、製品品質の確保、エネルギー効率の最適化、排出削減目標の達成のために、プロセスガスの湿度を監視・制御する必要があります。CI-PC39は、耐腐食性を持つ過酷な媒体（廃棄物焼却プラント、硫酸、フッ化水素酸、王水など）での湿度測定を含む、最も厳しい工業用途要件を満たすように設計されたプロセス湿度計です。正確で信頼性の高い測定データ、幅広い温度適応性、低メンテナンス作業、長寿命といった特長を備えています。欠点としては、高価格、大型サイズ、定期的な給水が必要な点が挙げられます。
上記の数式に基づくと、排ガス中の湿度を測定する定電流噴射法は、排ガス温度の間接測定によって実現されることが明確にわかります。その代表的な製品を図（3）に示します。
温度測定技術は比較的成熟しており、信頼性も高い。極めて過酷な作業環境下でも、温度センサーの現場交換は容易に行える。乾湿球温度計は定流量噴射方式を動作原理としているが、気象機関が空気の相対湿度を測定するために一般的に使用している市販の湿度計とは異なる。この湿度計は、斬新で革新的な設計により、前述の測定結果を実現している。
凝縮法
凝縮法の原理は以下のとおりです。一定量の排ガスを煙道から取り出し、凝縮器を通過させます。凝縮器から排出される飽和ガスに含まれる水蒸気量と凝縮した水の量の合計によって、排ガス中の水分含有量を算出します。
●コンデンサー（図1参照）
● 排ガスダストサンプリング装置：排ガスダストサンプラー（tr、tv、Pr、Qrw、タイミング設定n、ガス乾燥機能の測定が可能）、サンプリングチューブ、エアポンプで構成されています。
>>検出手順
● コンデンサーを冷水パイプに接続するか、直接氷水に浸し、図2に示すようにシステム全体を接続し、システム全体にガス漏れがないか確認してください。
● ガス漏れ検査方法：サンプリングチューブとコンデンサー間のゴムチューブを塞ぎ、エアポンプを始動します。流量計前の圧力計が示す負圧が6.6 kPa（50 mmHg）に達したら、流量計とエアポンプ間のゴムチューブを塞ぎ、ポンプを停止します。1分以内に圧力計の指示値が0.2 kPa（1.5 mmHg）以上低下しない場合は、システムは気密です。
図（２）湿度測定・サンプリングシステム
| 陰極還元反応 | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| 陽極酸化反応 | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
上記の電極反応式からわかるように、電解セルや電極の消耗はありません。したがって、運転中に電極や電解セルを交換する必要はなく、蒸留水と電解液を定期的に補充するだけで済みます（電解液は自然蒸発により減少します）。これは、一般的に1～2年ごとに交換が必要な前述の燃料電池用酸素センサーとは異なります。
アルカリ燃料電池型酸素センサーを紹介する際には、測定対象ガスに酸性成分が含まれる用途には使用してはならないことが強調されています。Delta F電解式酸素センサーは、電解質としてアルカリ性KOH溶液を使用しています。酸性ガスによる干渉を克服し、電極の腐食を防ぐため、センサー内部には一対のStab-EL補助電極が設計されています。これらの補助電極は、酸性ガスを含むサンプルガスが電解セルに入った後にこれらの有害ガスを除去することで、センサーの損傷を防ぎ、分析計の測定値の精度を確保する役割を果たします。
図6-4 デルタFトレース酸素センサーの概略図
