고정된 오염원에서의 연도 가스 습도

기존의 연도 가스 배출 모니터링에서 연도 가스 습도는 중요한 매개변수이지만, 정확하게 측정하기 가장 어려운 요소이기도 합니다. 습도 측정 자체는 대기압, 온도 등 여러 요인의 영향을 받을 뿐만 아니라, 연도 가스 습도 측정은 고온, 고농도 분진, 고습도, 음압, 부식 등의 문제에 직면해야 합니다.

또한, 습도 교정은 어려운 문제입니다. 고온 습도 발생기 제작이 어렵기 때문에 온라인 습도 측정기의 측정 정확도에 영향을 미칩니다. 연도 가스 습도계를 검증하고 교정하기 위해서는 표준 습도원과 습도 기준을 생성할 수 있는 장치가 필요합니다. 절대 습도 측정이 가능한 습도 측정 방법을 습도 기준으로 사용할 수 있습니다. 습도가 알려진 가스를 습도 기준점으로 사용할 수도 있습니다. "고정 오염원 배기가스 내 입자상 및 기체상 오염물질 시료 채취 방법"(GB/T16157-1996) 표준에서는 응축법, 중량법, 건습구법의 세 가지 연도 가스 습도 측정 방법을 규정하고 있으며, 이러한 방법들은 연도 가스 습도 측정의 기준 방법으로 사용되어 연도 가스 습도계 교정에 활용될 수 있습니다. 또한, 특정 온도와 압력에서 일정한 습도를 생성하는 습도 발생기를 이용하여 연도 가스 습도계를 교정할 수도 있습니다.

1. 연도 가스 습도 측정 방법 소개

건습식 볼법

GB/T16157-1996 표준에 제시된 세 가지 습도 측정 방법은 실제 적용에 이상적이지 않습니다. 중량 측정법과 응축법은 복잡하고, 시험 조건이 까다로우며, 시험 시간이 오래 걸립니다. 건습구 측정법은 간단하지만 오차가 큽니다.

건습구법을 이용한 연도 가스 습도 측정의 주요 문제점은 연도 가스 온도가 매우 높아서(종종 100°C 이상) 건식구 온도가 실제 연도 가스 온도에 도달하지 못한다는 점입니다.

온도는 일반적으로 주변 온도와 연도 가스 온도 사이에 있으므로 측정 오차가 발생합니다. 종닝성(Zong Ningsheng)은 건습구법을 이용하여 연도 가스의 습도를 측정할 때 다음과 같은 사항을 고려해야 한다고 주장합니다. 온도계가 안정되어 더 이상 상승하지 않을 때(5~10분) 측정을 시작해야 합니다. 시료 채취관과 건습구 온도계를 연결하는 파이프는 짧게 하고, 파이프 벽 두께는 너무 얇지 않도록 하여 연도 가스 온도가 과도하게 떨어지는 것을 방지해야 합니다. 추운 지역에서는 시료 채취관을 가열하여 사용해야 합니다.

Chang-Ai는 건습구형 온도계와 가열식 연도 가스 샘플링 튜브를 개선하여 연도 가스가 이슬점에 도달하거나 샘플링 튜브 내에서 수증기가 응축되는 오류를 방지했습니다.

그림 1CI-PC39 개요

측정 지점의 실제 연도 가스 온도에 따라 샘플링 튜브의 가열 온도를 변경함으로써 건습구 챔버로 유입되는 연도 가스 온도와 샘플링 지점의 연도 가스 온도 간의 차이를 방지했습니다. 자체 제작한 건습구 습도계의 정확도와 안정성은 표준 건습구법과 중량법을 사용하여 검증했습니다. 그 결과, 습도계로 측정한 습도 데이터는 신뢰할 수 있고 효과적이며, 연도 가스 습도 변화에 민감하게 반응하고, 연속적이고 안정적으로 작동할 수 있음을 확인했습니다. 건습구의 작동 원리는 충격 제트 방식이지만, 기상청에서 공기의 상대 습도를 측정하는 데 사용하는 일반적인 습도계와는 다릅니다. 본 습도계는 완전히 새로운 혁신적인 설계로, 위와 같은 측정 결과를 얻었으며, 대표적인 제품 이미지는 그림 1에 나타냈습니다.

창아이 측정 엔지니어링은 고온 고습 측정 공정은 물론 부식성 및 분진 함유 가스가 발생하는 공정에도 성공적으로 적용되어 왔습니다. 많은 공정에서 제품 품질 보장, 에너지 효율 향상 또는 배출량 감축 목표 달성을 위해서는 공정 가스의 습도를 모니터링하고 제어하는 ​​것이 필수적입니다. CI-PC39는 내식성, 연속 작동 및 오염에 대한 내성 등 가장 엄격한 산업 요구 사항을 충족하는 공정 습도계입니다.

응축법

응축법의 원리는 일정량의 배기가스를 굴뚝에서 추출하여 응축기를 통과시킨 후, 응축된 수분량과 응축기에서 배출되는 포화 가스의 수증기 함량을 이용하여 배기가스 중 수분 함량을 계산하는 것입니다. 중량법의 원리는 일정량의 배기가스를 굴뚝에서 추출하여 흡습제가 채워진 흡습관을 통해 배기가스 중 수분을 흡수시킨 후, 배기가스 내 흡습관의 무게를 측정하여 일정량의 배기가스에 포함된 수분량을 구하는 것입니다. 두 방법은 원리가 유사합니다. 배기가스 습도의 질량 농도는 수분 함량을 측정하고 시료 부피로 나누어 직접 구할 수 있으며, 이 질량 농도를 부피 백분율로 변환합니다.

건습구법은 조작이 간편하고 적응성이 뛰어나 연도 가스 습도 측정에 널리 사용되는 기준 방법입니다. 응축법과 중량법은 정확도가 높지만, 측정 과정이 복잡하고 숙련된 인력이 많이 필요하며 측정 시간이 오래 걸립니다. 따라서 연도 가스 습도의 온라인 측정에는 적합하지 않으며, 실험실 측정법과 온라인 측정법을 비교하는 용도로만 사용할 수 있습니다.

억제 방법

전극 사이에 물질을 놓으면, 그 물질이 수증기를 흡수할 때 전극 사이의 정전 용량이 변화합니다. 연소 가스의 수분 함량은 수분 흡수 물질의 정전 용량 변화를 측정함으로써 얻을 수 있는데, 이를 정전 용량식 습도 센서라고 합니다. 기존의 정전 용량식 습도계는 센서 감도, 습도 이력 현상, 온도 계수 및 장기 안정성 측면에서 몇 가지 문제점을 가지고 있습니다.

본 발명은 특허 제품인 온라인 체적 저항형 고온 연도 가스 수분 측정기 에 관한 것으로, 개선된 정전 용량 방식 수분 측정기이며, 우수한 내식성과 높은 감도를 특징으로 한다. 이 제품은 고분자 필름 정전 용량 습도 센서를 사용한다.

습도 센서로는 온도 보상을 위해 백금 저항 온도 센서가 사용됩니다. 작동 원리는 그림 1에 나타낸 바와 같습니다. 수증기가 고분자 필름 정전 용량 습도 센서의 상부 전극을 통과하여 고분자 활성 고분자 필름에 도달하면, 센서 크기가 작고 고분자 필름이 매우 얇기 때문에 주변 환경의 습도 변화에 빠르게 반응할 수 있습니다.

그림 2. 저항 및 용량을 이용한 수도 계량기의 작동 원리 블록도

폴리머에 흡수된 수증기는 센서의 유전 특성을 변화시키고 센서의 정전 용량 값을 변화시켜, 정전식 습도 센서의 출력 신호를 전압 값으로 변환하고, 온도 센서를 통해 온도 전압 신호를 출력하여 온도 자동 보상을 수행합니다. 이 습도계는 연기 온도가 180°C 이하일 때 0~20%±2% 범위의 수분 함량을 측정할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 더 나은 습도 감지 매체를 찾기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 그중에서도 유기 고분자 소재는 높은 감도, 빠른 응답 속도, 그리고 작은 습도 이력 현상 때문에 많은 주목을 받고 있습니다. 습도 감지 매체 소재는 크게 CAB 계열(셀룰로오스 아세테이트 부티레이트)과 P 계열(폴리이미드)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

유기 고분자 정전 용량식 습도 센서는 원래 셀룰로오스 아세테이트 및 그 유도체로 만들어졌습니다. 현재는 셀룰로오스 아세테이트가 주로 사용됩니다. 일본의 사카이(Sakai)는 다양한 셀룰로오스 유도체의 특성을 비교하고 정전 용량, 온도 및 흡습 등온선 특성을 연구했습니다. 연구 결과에 따르면 비흡습성 습도 센서를 제작하기 위해서는 수분량을 제한하고 분자 간 상호작용이 발생하지 않도록 해야 합니다. 셀룰로오스 아세테이트 소재, 특히 다공성 금 전극으로 만들어진 소자는 빠른 응답 속도뿐만 아니라 흡습 이력 현상도 거의 나타내지 않는다는 것이 제안되었습니다.

마츠구치는 폴리이미드의 양 끝단에 아세틸렌기를 갖는 저분자 합성법을 제안했습니다. 이 저분자 상태의 폴리이미드를 용액에 녹인 후 기판에 코팅하여 필름을 형성하고, 가열하면 물에 쉽게 녹지 않는 입체결합 구조의 폴리이미드가 얻어집니다. 이 소재는 경화 시 물과 분리되지 않고, 경화된 필름에 미세 기공이 형성되기 어렵기 때문에 내수성이 우수한 감습 소재입니다. 실험 결과, 개질된 폴리이미드를 사용한 감습 소자는 빠른 응답 속도와 거의 없는 히스테리시스를 나타냈습니다. 또한 온도 계수가 작고 용매(아세톤)에 대한 내성도 우수하며 안정성이 크게 향상되었습니다.

Chen Xingzhu는 새로운 유형의 정전 용량 복합 유전체 필름 습도 센서를 제안했습니다. 이 센서의 유전체 필름은 선형 출력 및 온도 특성이 서로 다른 두 종류의 PI(CAB)로 구성됩니다. PI 및 CAB 단일 재료와 비교했을 때, 이 복합 재료는 히스테리시스가 작고, 비선형 오차가 작으며, 온도 계수가 작아 반복성과 장기 안정성이 크게 향상되었습니다. 이는 정전 용량 습도 센서의 유전체 재료 기능 설계에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다. 대표적인 제품 이미지는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 CI-XS200 이슬점 센서 프로파일

정전용량 방식의 주요 장점은 높은 감도, 빠른 응답 속도, 간편한 제조, 소형화 및 집적화 용이성입니다. 현재 중국에서는 연도 가스 온라인 습도 측정기가 많이 사용되고 있지만, 장기적인 안정성이 이상적이지 못하고 대부분 장기간 사용 시 드리프트 현상이 심각하여 고장이나 손상을 초래합니다. 정전용량 습도 센서는 내식성이 낮아 환경 청결도가 더욱 요구됩니다. 또한 일부 제품에서는 낙뢰나 정전기 고장과 같은 문제가 발생하기도 합니다. 요컨대, 이 방식은 지속적으로 개선이 필요한 분야입니다.

제한 전류 방식

심층적인 이론 연구와 다수의 실험을 통해 이온 흐름 센서를 이용하여 정확한 습도 측정이 가능하다는 것이 입증되었습니다. 센서의 음극과 양극에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 습도를 측정할 수 있습니다. 이러한 발견은 기존 습도 센서가 고온 환경(예: 100°C 이상)에 적응하지 못하는 문제를 해결합니다.

지르코니아의 양극과 음극에 작동 전압을 인가하여 전기장을 생성하면, 이 전기장이 음극에서 산소 이온을 밀어내어 지르코니아를 통해 양극으로 산소 이온 전류를 형성합니다. 측정 대상 대기의 산소 농도가 일정 수준에 도달하면, 지르코니아 센서의 전류 값은 인가 전압 증가에 따라 더 이상 증가하지 않고 일정한 값에 수렴합니다. 이 일정한 전류 값을 산소 농도에 대한 한계 전류 값이라고 하며, 이를 제1 한계 전류 값이라고 합니다. 작동 원리에 따라, 측정 대상 대기에 수증기가 포함되어 있는 경우, 인가 전압을 증가시키면 수증기도 산소 이온으로 이온화됩니다. 측정 대상 대기의 수증기 농도가 일정 수준에 도달하면 지르코니아 센서는 일정한 전류 값을 출력하는데, 이를 제2 한계 전류 값이라고 합니다.

그림 4. 한계 전류와 인가 전압 간의 관계

그림 5. 수증기 환경에서 센서 출력 제한 전류의 곡선도

센서의 음극과 양극에서의 반응은 다음과 같습니다.

음극측 : O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

양극측: O2- → 1/2O2+2e- (6)

센서의 가스 확산 한계에 대한 픽의 법칙에 따르면, 산소의 확산 계수가 수증기의 확산 계수와 같다는 조건에서 제1 한계 전류 I1과 제2 한계 전류 I2는 각각 다음 공식으로 나타낼 수 있다.

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

이 공식에서 F는 패러데이 상수, D는 혼합 기체 분자의 확산 계수, S는 확산 구멍의 면적, P는 혼합 기체의 총 압력, 는 PO2 분압, PH2O는 수증기 분압, R은 기체 상수, T는 절대 온도, L은 기체 확산 구멍의 길이, 0.21은 공기 중 산소 함량입니다.

이온 전류 습도 측정의 적용 범위는 다음과 같습니다.

창아이 유한회사는 장이찬 박사(중국 최초로 극한 전류형 지르코니아 센서를 중국에 도입한 인물)와 그의 연구팀, 그리고 청두 전자과학기술대학교 마이크로전자 및 고체재료 연구소 소장인 양방차오 교수와 협력하여 이온 전류 센서를 고온 다습도 측정에 적용하는 분야를 개척했습니다. 2006년, 창아이 유한회사는 이온 유량 센서 기반의 GRL-12 고온 다습도 측정기(그림 5)를 최초로 출시했으며, 2008년 녹색 올림픽 이전에는 산시성 코크스 공장, 화력 발전소 배출 모니터링 등 환경 보호 및 모니터링 분야에 대거 적용되어 국내 기업으로서의 책임과 공헌을 다했습니다. 창아이(Chang'ai)사는 10년 이상의 개발 기간 동안 이온 유량 센서를 기반으로 하는 다양한 습도 분석 기기를 개발해 왔습니다. 대표적인 제품으로는 CI-PC18 시리즈 습도 트랜스미터, CI-PC19 토양 습도 모니터, CI-PC168 시리즈 고온 습도 분석기 , CI-PC193 식품 산업용 습도 감지 시스템, CI-PC196 시리즈 고온 습도 분석 시스템 등이 있으며, 그림 6에서 해당 제품들을 확인할 수 있습니다.

그림 6 CI-PC18 고온 습도계 프로필

센서 구조:

그림 6. 3D 이온 흐름 습도 센서 구조

이러한 제품들은 환경 보호, 인쇄 및 염색, 목재, 건축 자재, 제지 산업, 화학 산업, 섬유 및 제약 분야뿐만 아니라 식품, 담배, 채소 및 곡물의 가공 및 저장 산업에서도 널리 사용됩니다.

건습식 산소법

CEMS 시스템의 산소 센서는 연도 가스의 제습 전후 산소 함량을 측정하는 데 사용됩니다. 연도 가스의 수분 함량을 계산할 때, 연도 가스의 습도는 다음 공식에 따라 계산됩니다.

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

공식 (1)에서 X와 O2는 습식 연도 가스의 산소 부피 백분율(%)이고 Xo2는 건식 연도 가스의 산소 부피 백분율(%)입니다.

건조산소와 습산소 측정의 주요 문제점은 건조산소와 습산소를 각각 측정하기 위해 두 개의 장비가 필요하다는 점입니다. 샘플링 지점의 차이와 샘플링 오차로 인한 오차는 두 장비의 오차가 중첩되어 발생하며, 이러한 오차는 본 측정 방법으로는 극복하기 어렵습니다.

적외선 흡수

흡수 분광법은 적외선 및 자외선 흡수를 포함하여 현대 습도 측정에서 중요한 기술입니다. 현재 근적외선 흡수 스펙트럼 기반 측정 기술은 더욱 성숙해졌으며, 측정 정확도, 감도 및 측정 범위가 기존 습도 분석 방법보다 우수합니다.

적외선 흡수법은 물이 특정 파장의 적외선을 강하게 흡수한다는 원리를 이용합니다. 수분 함량에 따라 흡수 정도가 달라지며, 람베르트-비어 법칙을 따릅니다. 흡수 파장과 기준 파장에서 기체의 투과율을 측정하고, 두 파장의 투과율 비율을 통해 기체 내 수증기 함량을 구할 수 있습니다. 완자룽(Wan Jia Rong) 연구팀은 가장 일반적으로 사용되는 흡수 파장은 1.45μm와 1.94μm이고, 기준 파장은 1.73μm와 2.1μm임을 밝혀냈습니다.

근적외선 흡수 분광법을 기반으로 하는 습도 측정 방법에는 레이저 다이오드 공진 감쇠 분광법(CRDS)과 가변 레이저 다이오드 흡수 분광법(TLDAS) 두 가지가 있습니다. CRDS 공진기는 구조가 간단하고 크기가 작아 가스 교체가 빠르기 때문에 온라인 측정에 매우 적합합니다. TDLAS는 비교적 성숙한 흡수 스펙트럼 측정 기술로, 미세 습도 측정 분야에 사용되어 왔으며 높은 감도와 빠른 응답 속도라는 장점을 가지고 있습니다.

하지만 연도 가스 습도 측정에 사용되는 적외선 흡수법은 CO2/SO2/NOx에 민감한 파장의 간섭을 피해야 하는데, 이는 어렵고 장비 가격도 비싸기 때문에 연도 가스 습도 측정에 거의 사용되지 않습니다.

고온다습도 발생기

일반적으로 연도 가스의 온도는 80~120°C 정도로 높기 때문에, 일반적인 습도 발생기는 상온에서 일정한 습도를 생성하도록 설계되어 있습니다. 고온에서 일정한 습도를 생성하더라도 사용 중 온도를 일정하게 유지하기 어렵습니다. 따라서 상온 습도 발생기를 사용하여 고온 연도 가스 습도계를 교정하는 경우, 요구 조건을 충족하기 어려운 경우가 많아 고온 습도 측정 연구 및 응용에 큰 제약이 따릅니다. 특히 정전 용량식 습도 센서는 주변 습도뿐만 아니라 온도에도 민감하여 온도 드리프트가 발생하기 쉽기 때문에 고온 습도 발생기 개발이 필수적입니다.

고온 습도 발생기는 고온에서 안정적인 습도를 생성할 수 있습니다. 이는 연도 가스 습도 측정기의 편리하고 직관적인 교정 장치입니다. 장원둥(Zhang Wen Dong)은 이중 온도·이중 압력 방식을 이용하여 고온 정밀 습도 발생기를 개발했습니다. 온도 안정성 실험은 50°C, 100°C, 150°C에서 각각 2시간 동안 진행되었습니다. 포화 오일 탱크와 실험 챔버의 온도 안정성은 0.02°C 이내였습니다. 이 장치의 최대 이론적 불확도는 ±1.09RH입니다. 장치의 정확도는 중량법 습도계의 측정 결과로 검증되었습니다. 이 장치는 고온 습도 센서 및 트랜스미터의 교정에 사용할 수 있습니다.

2. 요약

연도 가스 습도 측정은 중요한 문제로 인식되고 있습니다. 국가 표준에서 기준 방법으로 규정된 건습구법은 오차 발생 가능성이 높습니다. 응축법과 중량법은 정밀도는 높지만 조작이 복잡하여 실험실에서만 사용 가능합니다. 중국에서 CEMS 시스템에 사용되는 연도 가스 습도의 온라인 측정 방법은 정전 용량법과 한계 전류법입니다. 이 두 방법 모두 전자식 습도 센서에 속하며, 적용 전망은 넓지만 환경 오염 방지 및 장기 안정성 개선이 필요합니다. 건습산소법은 오차가 크고, 적외선 흡수법은 비용이 많이 들어 사용이 제한적입니다. 또한, 상온 습도 발생기는 연도 가스 습도 측정기의 교정 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 따라서 고온 고습 발생기 개발이 필요하며, 이는 기술적인 과제입니다.