연도 가스 수분(습도) 온라인 모니터링 기술의 응용
연료 전지 센서 기술
각종 버너와 산업 및 상업용 보일러에서 배출되는 연도 가스는 심각한 대기 오염을 유발합니다. 연도 가스 내 유독성 및 유해 가스를 모니터링하는 것은 환경 보호 노력에 있어 중요한 부분입니다. 이러한 필요성을 충족하기 위해 연속 배출 모니터링 시스템(CEMS)이 개발되었으며, 일반적으로 건조된 연도 가스 조건을 기반으로 오염 물질을 정량화합니다. 그러나 산업적으로 배출되는 연도 가스는 이상적인 건조 가스가 아니며 항상 일정량의 수분을 함유하고 있습니다. 따라서 연도 가스 습도는 연도 가스 오염원 모니터링에서 필수적인 측정 매개변수가 되었으며, 습도 측정의 정확도는 총 오염 물질 배출량 및 농도 계산뿐 아니라 연도 가스 정화 시스템 효율 평가에도 직접적인 영향을 미칩니다.
또한, 습도 교정은 중요한 과제입니다. 고온 습도 발생기 제작의 어려움으로 인해 온라인 습도 측정기의 측정값 추적성에 문제가 발생하기 때문입니다. 연도 가스 습도계를 검증하고 교정하기 위해서는 표준 습도원을 생성할 수 있는 장치와 습도 기준치 및 표준 물질이 필수적입니다. 절대 습도 측정이 가능한 습도 측정 방법은 습도 기준치로 사용될 수 있으며, 습도 수준이 알려진 가스 또한 습도 기준치로 사용될 수 있습니다. "고정 발생원 배기가스에서 배출되는 기체 오염물질의 입자 측정 및 시료 채취 방법"(GB/T 16157-1996) 표준은 연도 가스 습도 측정 방법으로 습구-건구법, 응축법, 중량법의 세 가지를 규정하고 있습니다. 이 세 가지 방법은 연도 가스 습도 측정의 기준 방법으로 사용될 수 있으며, 연도 가스 습도계를 교정하는 데 활용될 수 있습니다. 또한, 습도 발생기는 특정 온도 및 압력 조건에서 일정한 습도를 유지하는 가스를 생성할 수 있으므로 연도 가스 습도계를 교정하는 데에도 사용될 수 있습니다. 기술의 발전과 국가 차원의 환경 보호에 대한 관심 증대에 따라, 현재 중국에서는 고온 연도 가스 습도를 온라인으로 측정하는 주요 방법으로 정유량 주입법(습구-건구 온도계), 저항-용량법, 지르코니아 기반 이온 흐름(한계 전류)법, 적외선 분광 흡수법의 네 가지가 있습니다.
연도 가스 습도 측정 방법 소개
>> 습구-건구법
습구-건구법은 습구 온도와 건구 온도의 차이를 이용하여 공기의 상대 습도를 측정하는 방법입니다. 물 분자는 습구 표면에서 수증기로 증발하면서 기화 잠열을 흡수해야 합니다. 이러한 지속적인 증발은 표면에서 열을 계속 흡수하여 습구를 냉각시킵니다. 냉각 정도는 주변 공기의 상대 습도, 대기압, 풍속에 따라 결정됩니다. 대기압과 풍속이 일정할 때, 상대 습도가 높을수록 습구 표면에서의 수분 증발 속도가 낮아지고, 습구 온도와 건구 온도의 차이인 습구 표면 온도가 낮아집니다. 반대로, 상대 습도가 낮을수록 습구 온도와 건구 온도의 차이가 커집니다. 따라서 습구 온도와 건구 온도의 차이를 측정하고 상대 습도와 이 온도 차이 사이의 관계를 파악함으로써 상대 습도를 계산할 수 있습니다.2,3
습구 -건구법을 이용한 습도 측정 원리
열 및 수분 전달 원리에 따르면 열 및 수분 평형이 이루어지면 공기에서 습구로 전달되는 열량 Q1은 거즈에서 수분이 증발하는 데 필요한 잠열 Q2와 같아집니다. 즉, Q1 = Q2(1)입니다.
열전달 원리에 따르면: Q1=α（t-tw）F (2)
공식에서 α는 공기와 습구 수면 사이의 열교환 계수(W/m²·℃)이고, t는 건구 온도(°C), tw는 습구 온도(°C), F는 습구 표면적(m²)입니다.
수분 전달 원리와 달튼의 증발 법칙에 따르면, 증발된 물의 질량은 주변 공기의 수증기 포화 부족량과 증발 면적에 비례하고, 당시의 대기압에 반비례한다. 따라서 수분 교환율[4]은 다음과 같이 표현할 수 있다.
공식에서 W는 수분 교환율(kg/s), r은 증발 잠열(J/kg), β는 수분 교환 계수(kg/(m²·s·Pa)), F는 습구 표면적(m²), B는 실제 대기압(Pa), P´q,b는 습구 온도에서의 포화 수증기 부분압(Pa), Pq는 공기 중 수증기 부분압(Pa)입니다.
공식 (1), (2) 및 (3)에서 유도됨:
공식에서: 습도계 계수
따라서 상대 습도는 다음과 같습니다.
오염원으로부터 배출되는 연도 가스를 모니터링하는 데 사용되는 습구-건구법은 일반적으로 동일한 두 개의 열전대를 온도 감지 소자로 사용하는데, 하나는 건구 온도를 측정하고 다른 하나는 습구 온도를 측정합니다. 건구 온도 감지 소자는 주 연도 가스 흐름 내에 위치하고, 습구 온도 감지 소자는 면 거즈로 감싸져 물통에 연결됩니다. 습구와 주변 연도 가스는 복사열 전도를 고려하지 않고 하나의 시스템으로 취급됩니다. 건구-습구 원리에 기반한 자동 수분 함량 측정 장치는 마이크로프로세서를 사용하여 습구 및 건구 표면 온도, 습구 표면 압력, 배기 정압과 같은 매개변수를 측정하고 수집하는 센서를 제어합니다. 이 장치는 습구 표면 온도에서의 포화 수증기압을 도출하고, 입력된 대기압과 결합하여 공식을 사용하여 연도 가스의 수분 함량을 자동으로 계산합니다.
1-연도;
2. 건구 온도계;
3. 습구 온도계;
4. 절연 샘플링 튜브;
5. 진공 압력계;
6-로타미터;
7. 공기 흡입 펌프
>> 일정 유량 분사 방식
일정 유량 분사 방식(습구-건구). 습구-건구 습도 측정의 기본 원리는 다음과 같습니다. 온도 센서(5)는 연도 가스의 온도를 건구 온도로 측정하고, 측정 셀(3)에는 일정량의 물이 채워져 있습니다. 물탱크(1)의 물은 호스 펌프(2)를 통해 측정 셀로 지속적으로 공급됩니다. 측정 셀 내부의 수위는 센서로 모니터링되며, 셀 내부의 압력 또한 센서로 감지되어 측정 정확도를 확보하고 액체 상태를 모니터링합니다. 온도 센서(6)는 측정 셀 내부에 설치되며 수면 아래에 위치해야 합니다. 연도 가스는 측정 셀 내부의 수면 바로 위로 일정한 유량으로 지속적으로 분사되며, 감지된 온도를 습구 온도로 간주합니다(그림 2 참조). 열 전달 및 열역학 원리에 따라 다음과 같은 수학식을 유도할 수 있습니다.
공식에서
U—상대 습도(%);
etw—습구 온도에서의 포화 수증기압;
et—건구 온도에서의 포화 수증기압;
P—대기압;
∆t—건구 온도와 습구 온도의 차이;
A—풍속과 관련된 상수.
창아이의 정유량 분사식 고온 습도계
창아이(Chang Ai)사의 CI-PC39는 고온·고습 환경은 물론 부식성 및 분진이 함유된 가스를 사용하는 공정에도 성공적으로 적용되어 왔습니다. 많은 산업 공정에서 제품 품질 보장, 에너지 효율 최적화 또는 배출 저감 목표 달성을 위해 공정 가스의 습도를 모니터링하고 제어해야 합니다. CI-PC39는 폐기물 소각장, 황산, 불산, 왕수 등 부식성이 강한 환경에서의 습도 측정을 포함하여 가장 까다로운 산업 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 설계된 공정 습도계입니다. 정확하고 신뢰할 수 있는 측정 데이터, 넓은 온도 적응 범위, 낮은 유지보수 부담, 긴 수명 등의 장점을 제공합니다. 단점으로는 높은 가격, 큰 크기, 정기적인 물 보충 필요성 등이 있습니다.
위의 수학식을 바탕으로, 연도 가스의 습도를 측정하기 위한 정전류 분사법은 연도 가스 온도의 간접 측정을 통해 달성됨을 명확히 알 수 있다. 그 대표적인 결과물은 그림 (3)에 나타나 있다.
온도 측정 기술은 비교적 성숙하고 신뢰성이 높습니다. 극한의 작업 환경에서도 현장에서 온도 센서를 간편하게 교체할 수 있습니다. 습구/건구 측정기의 작동 원리는 정류 분사 방식이지만, 기상청에서 공기 중 상대 습도를 측정하기 위해 일반적으로 사용하는 습도계와는 다릅니다. 본 습도계는 완전히 새롭고 혁신적인 설계를 통해 앞서 언급한 측정 결과를 달성했습니다.
응축법
응축법의 원리는 다음과 같습니다. 일정량의 배기가스를 굴뚝에서 추출하여 응축기를 통과시킵니다. 배기가스 내 수분 함량은 응축된 수분의 양과 응축기에서 배출되는 포화 가스에 포함된 수증기의 양을 합산하여 계산합니다.
● 콘덴서, 그림 (1) 참조
● 굴뚝 분진 샘플링 장치: 이 장치는 굴뚝 분진 샘플러(tr, tv, Pr, Qrw 측정, 타이밍 설정 n 및 가스 건조 기능 포함), 샘플링 튜브 및 공기 펌프로 구성됩니다.
>> 탐지 절차
● 응축기를 냉수 배관에 연결하거나 얼음물에 직접 넣은 다음 그림 2와 같이 전체 시스템을 연결하고 전체 시스템에서 가스 누출이 있는지 확인하십시오.
● 가스 누출 점검 방법: 샘플링 튜브와 응축기 사이의 고무 튜브를 막은 후 공기 펌프를 작동시킵니다. 유량계 앞쪽 압력계의 음압이 6.6kPa(50mmHg)에 도달하면 유량계와 공기 펌프 사이의 고무 튜브를 밀봉하고 펌프 작동을 멈춥니다. 1분 이내에 압력계 지시값이 0.2kPa(1.5mmHg) 이상 떨어지지 않으면 시스템이 기밀 상태입니다.
그림 (2) 습도 측정 및 샘플링 시스템
| 음극 환원 반응 | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| 양극 산화 반응 | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
위의 전극 반응식에서 볼 수 있듯이 전해조나 전극은 소모되지 않습니다. 따라서 사용자는 작동 중에 전극이나 전해조를 교체할 필요가 없으며, 증류수와 전해액(전해액은 자연 증발로 인해 감소함)만 주기적으로 보충하면 됩니다. 이는 일반적으로 1~2년마다 교체해야 하는 연료전지 산소 센서와는 다른 점입니다.
알칼리 연료 전지형 산소 센서를 소개할 때, 측정 대상 가스에 산성 성분이 포함된 경우에는 사용해서는 안 된다는 점을 강조합니다. Delta F 전해 산소 센서는 전해액으로 알칼리성 KOH 용액을 사용합니다. 산성 가스로 인한 간섭을 극복하고 전극 부식을 방지하기 위해 센서 내부에 Stab-EL 보조 전극 한 쌍을 설계했습니다. 이 보조 전극은 산성 가스를 포함한 시료 가스가 전해 셀로 유입된 후 유해 가스를 제거하여 센서 손상을 방지하고 분석기의 측정값 정확도를 확보하는 역할을 합니다.
그림 6-4 델타 F 추적 산소 센서의 개략도
