Toepassingen van online monitoringtechnologie voor rookgasvochtigheid (luchtvochtigheid)
Sensortechnologie voor brandstofcellen
Rookgasemissies van diverse branders, industriële en commerciële ketels veroorzaken ernstige luchtvervuiling. Het monitoren van giftige en schadelijke gassen in rookgas is een belangrijk aspect van milieubescherming. Continue emissiemonitoringssystemen (CEMS) zijn ontwikkeld om aan deze behoefte te voldoen. Deze systemen kwantificeren doorgaans de hoeveelheid verontreinigende stoffen in rookgas op basis van droge rookgasomstandigheden. Industrieel uitgestoten rookgas is echter geen ideaal droog gas en bevat altijd een zekere hoeveelheid vocht. Daarom is de vochtigheid van rookgas een essentiële meetparameter geworden bij het monitoren van rookgasverontreinigingsbronnen. De nauwkeurigheid van de meting heeft direct invloed op de berekening van de totale emissies en concentraties van verontreinigende stoffen, evenals op de evaluatie van de efficiëntie van rookgasreinigingssystemen.
Daarnaast vormt de kalibratie van de luchtvochtigheid een aanzienlijke uitdaging. Dit komt door de moeilijkheid om hogetemperatuur-luchtvochtigheidsgeneratoren te produceren, wat de traceerbaarheid van meetwaarden van online luchtvochtigheidsmeters beïnvloedt. Om rookgasluchtvochtigheidsmeters te verifiëren en te kalibreren, is het essentieel om apparaten te hebben die standaard luchtvochtigheidsbronnen kunnen genereren, evenals referentiewaarden en standaarden voor luchtvochtigheid. Meetmethoden voor luchtvochtigheid die absolute luchtvochtigheid kunnen bepalen, kunnen dienen als referentiewaarden, en gassen met bekende luchtvochtigheidsniveaus kunnen ook als referentiewaarden dienen. De norm "Bepaling van deeltjes en bemonsteringsmethoden van gasvormige verontreinigende stoffen die vrijkomen uit uitlaatgassen van stationaire bronnen" (GB/T 16157-1996) specificeert drie methoden voor het meten van de luchtvochtigheid in rookgassen: de nat-droogbolmethode, de condensatiemethode en de gravimetrische methode. Deze drie methoden kunnen dienen als referentiemethoden voor het detecteren van de luchtvochtigheid in rookgassen en kunnen worden gebruikt om rookgasluchtvochtigheidsmeters te kalibreren. Bovendien kunnen luchtvochtigheidsgeneratoren onder specifieke temperatuur- en drukcondities een constant vochtig gas produceren en kunnen ook worden gebruikt om rookgasluchtvochtigheidsmeters te kalibreren. Met de technologische vooruitgang en de toenemende nadruk van het land op milieubescherming, zijn er momenteel vier belangrijke methoden voor online meting van de vochtigheid van rookgassen bij hoge temperaturen in China: de constante-stroominjectiemethode (nat-droogbolmethode), de weerstand-capaciteitsmethode, de op zirkonia gebaseerde ionenstroommethode (begrenzende stroommethode) en de infraroodspectrale absorptiemethode.
Inleiding tot meetmethoden voor de vochtigheid van rookgassen
>> Nat-droogbolmethode
De nattebol-droogbolmethode meet de relatieve luchtvochtigheid op basis van het verschil tussen de nattebol- en drogeboltemperatuur. Watermoleculen verdampen van het natteboloppervlak tot waterdamp, die latente verdampingswarmte moet absorberen. Door continue verdamping wordt er warmte van het oppervlak geabsorbeerd, waardoor de nattebol afkoelt. De mate van afkoeling wordt bepaald door de relatieve luchtvochtigheid van de omgevingslucht, de atmosferische druk en de windsnelheid. Als de atmosferische druk en de windsnelheid constant blijven, geldt: hoe hoger de relatieve luchtvochtigheid, hoe lager de verdampingssnelheid van water van het natteboloppervlak en hoe lager de oppervlaktetemperatuur van de nattebol, oftewel het verschil tussen de nattebol- en de drogeboltemperatuur; omgekeerd geldt: hoe groter het verschil tussen de nattebol- en de drogeboltemperatuur, hoe lager de oppervlaktetemperatuur. Door het verschil tussen de nattebol- en de drogeboltemperatuur te meten en de relatie tussen de relatieve luchtvochtigheid en dit temperatuurverschil te bepalen, kan de relatieve luchtvochtigheid worden berekend.2,3
>> Het principe van vochtigheidsmeting met de nat-droogbolmethode
Volgens de principes van warmte- en vochtoverdracht geldt dat, wanneer thermisch en vochtevenwicht is bereikt, de warmteoverdrachtshoeveelheid Q1 van de lucht naar de nattebol gelijk is aan de latente warmte Q2 die nodig is voor de verdamping van vocht uit het gaas, dat wil zeggen: Q1 = Q2 (1)
Gebaseerd op het principe van warmteoverdracht: Q1=α（t-tw）F (2)
In de formule: α is de warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen lucht en het wateroppervlak van de nattebol, W/m²·℃; t is de temperatuur van de drogebol, °C; tw is de temperatuur van de nattebol, °C; F is het oppervlak van de nattebol, m².
Volgens het principe van vochtoverdracht en de verdampingswet van Dalton is de massa verdampt water rechtstreeks evenredig met het dampverzadigingstekort van de omringende lucht en het verdampingsoppervlak, en omgekeerd evenredig met de atmosferische druk op dat moment. Daarom kan de vochtuitwisselingssnelheid[4] als volgt worden uitgedrukt:
In de formule: W is de vochtuitwisselingssnelheid van vocht, kg/s; r is de latente verdampingswarmte, J/kg; β is de vochtuitwisselingscoëfficiënt, kg/(m²·s·Pa); F is het natteboloppervlak, m²; B is de werkelijke atmosferische druk, Pa; P´q,b is de partiële druk van verzadigde waterdamp bij natteboltemperatuur, Pa; Pq is de partiële druk van waterdamp in de lucht, Pa.
Afgeleid van formule (1), (2) en (3):
In de formule: de psychrometercoëfficiënt
De relatieve luchtvochtigheid is dus:
De nat-droogbolmethode, die wordt gebruikt voor het monitoren van rookgassen van vervuilingsbronnen, maakt doorgaans gebruik van twee identieke thermokoppels als temperatuursensoren: één voor het meten van de drogeboltemperatuur en de andere voor de natteboltemperatuur. De sensor voor de drogeboltemperatuur bevindt zich in de hoofdrookgasstroom, terwijl de sensor voor de natteboltemperatuur is omwikkeld met katoenen gaas dat is verbonden met een waterreservoir. De nattebol en de omringende rookgassen worden als één systeem beschouwd, zonder rekening te houden met stralingswarmtegeleiding. Een automatisch vochtgehaltemeetapparaat, gebaseerd op het droog-nattebolprincipe, gebruikt een microprocessor om sensoren aan te sturen die parameters meten en verzamelen zoals de oppervlaktetemperaturen van de natte en droge bol, evenals de druk over het natteboloppervlak en de statische uitlaatdruk. Het apparaat berekent de verzadigde waterdampdruk bij de natteboltemperatuur en, in combinatie met de ingevoerde atmosferische druk, automatisch het vochtgehalte van de rookgassen met behulp van een formule.
1-Griep;
2- Drogebolthermometer;
3. Nattebolthermometer;
4- Geïsoleerde bemonsteringsbuis;
5-vacuümdrukmeter;
6-Rotameter;
7-Luchtzuigpomp
>> Constante-debiet-spuitmethode
Methode met constante stroom (nat-drogebol). Het basisprincipe van de nat-drogebol-vochtigheidsmeting: een temperatuursensor (5) meet de temperatuur van de rookgassen als de drogeboltemperatuur, en een meetcel (3) wordt gevuld met een bepaalde hoeveelheid water. Water in de watertank (1) wordt continu naar de meetcel gevoerd door een slangpomp (2). Het waterniveau in de meetcel wordt bewaakt door een sensor, en de druk in de cel wordt ook gedetecteerd door een sensor om de meetnauwkeurigheid te waarborgen en de vloeistof te bewaken. Een temperatuursensor (6) is in de meetcel geïnstalleerd en moet zich onder het wateroppervlak bevinden. Rookgas wordt vervolgens continu met een constante stroomsnelheid direct boven het wateroppervlak in de meetcel gespoten, en de gemeten temperatuur wordt beschouwd als de natteboltemperatuur (zie figuur 2). Op basis van de principes van warmteoverdracht en thermodynamica kan de volgende wiskundige formule worden afgeleid:
In de formule
U—Relatieve luchtvochtigheid %;
etw—Verzadigde waterdampdruk bij natteboltemperatuur;
et—Verzadigde waterdampdruk bij drogeboltemperatuur;
P—Atmosferische druk;
∆t—Temperatuurverschil tussen drogeboltemperatuur en natteboltemperatuur;
A—Constante gerelateerd aan de windsnelheid.
Chang Ai's hogetemperatuurhygrometer met constante doorstroming
De CI-PC39 van Chang Ai is succesvol toegepast in meetprocessen bij hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid, evenals in processen met corrosieve en stofrijke gassen. In veel industriële processen is het noodzakelijk om de luchtvochtigheid van procesgassen te bewaken en te regelen om de productkwaliteit te waarborgen, de energie-efficiëntie te optimaliseren of emissiereductiedoelstellingen te behalen. De CI-PC39 is een proceshygrometer die is ontworpen voor de meest veeleisende industriële toepassingen, waaronder vochtigheidsmeting in corrosieve omgevingen (zoals afvalverbrandingsinstallaties, zwavelzuur, fluorwaterstofzuur of koningswater). Het apparaat kenmerkt zich door nauwkeurige en betrouwbare meetgegevens, een breed temperatuurbereik, weinig onderhoud en een lange levensduur. Nadelen zijn onder andere de hoge prijs, het grote formaat en de noodzaak tot regelmatig bijvullen van water.
Op basis van de bovenstaande wiskundige formule kunnen we duidelijk zien dat de methode met constante stroominjectie voor het meten van de vochtigheid in rookgas wordt bereikt door indirecte meting van de rookgastemperatuur. Het representatieve resultaat hiervan is weergegeven in figuur (3).
Temperatuurmeettechnologie is relatief volwassen en betrouwbaar. Zelfs onder extreem zware werkomstandigheden kunnen temperatuursensoren eenvoudig ter plaatse worden vervangen. Hoewel de nat-droogbolmethode werkt volgens het principe van een constante luchtstroom, verschilt deze van de gangbare hygrometers die meteorologische diensten gebruiken om de relatieve luchtvochtigheid te meten. Deze hygrometer heeft de bovengenoemde meetresultaten bereikt dankzij een gloednieuw – zelfs revolutionair – innovatief ontwerp.
Condensatiemethode
Het principe van de condensatiemethode is als volgt: een bepaald volume uitlaatgas wordt uit de rookgasafvoer gehaald en door een condensor geleid. Het vochtgehalte in het uitlaatgas wordt berekend door de hoeveelheid gecondenseerd water en de hoeveelheid waterdamp in het verzadigde gas dat uit de condensor komt, bij elkaar op te tellen.
● Condensor, zie afbeelding (1)
● Rookgasstofmonstername-apparaat: Het bestaat uit een rookgasstofmonstername-apparaat (dat tr, tv, Pr, Qrw kan meten, een tijdsinstelling n kan instellen en een gasdroogfunctie heeft), een monsternamebuis en een luchtpomp.
>> Detectieprocedures
● Sluit de condensor aan op de koudwaterleiding of plaats hem direct in ijswater, sluit vervolgens het gehele systeem aan zoals weergegeven in afbeelding 2 en controleer het gehele systeem op gaslekken;
● De inspectiemethode voor gaslekken: sluit de rubberen slang tussen de monsternamebuis en de condensor af en start vervolgens de luchtpomp. Wanneer de onderdruk die de manometer vóór de flowmeter aangeeft 6,6 kPa (50 mmHg) bereikt, sluit u de rubberen slang tussen de flowmeter en de luchtpomp af en stopt u met pompen. Als de manometer binnen 1 minuut niet meer dan 0,2 kPa (1,5 mmHg) daalt, is het systeem luchtdicht.
Figuur (2) Vochtigheidsmeet- en bemonsteringssysteem
| Kathodische reductiereactie | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| Anodische oxidatiereactie | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Zoals blijkt uit de bovenstaande elektroreactievergelijkingen, is er geen sprake van verbruik van de elektrolytische cel of elektroden. Gebruikers hoeven de elektroden of elektrolytische cel daarom tijdens gebruik niet te vervangen; ze hoeven alleen periodiek gedestilleerd water en elektrolyt bij te vullen (de hoeveelheid elektrolyt neemt af door natuurlijke verdamping). Dit is anders dan bij de eerder genoemde zuurstofsensoren voor brandstofcellen, die over het algemeen elke 1 tot 2 jaar vervangen moeten worden.
Bij de introductie van alkalische zuurstofsensoren met brandstofcellen wordt benadrukt dat deze niet gebruikt mogen worden in toepassingen waarbij het te meten gas zure componenten bevat. De Delta F elektrolytische zuurstofsensor gebruikt een alkalische KOH-oplossing als elektrolyt. Om interferentie door zure gassen te voorkomen en corrosie van de elektroden tegen te gaan, is een paar Stab-EL hulpelektroden in de sensor ingebouwd. De functie van deze hulpelektroden is het verwijderen van deze schadelijke gassen nadat het monstergas met zure gassen de elektrolytische cel binnenkomt, waardoor schade aan de sensor wordt voorkomen en de nauwkeurigheid van de metingen van de analysator wordt gewaarborgd.
Figuur 6-4 Schematisch diagram van de Delta F-zuurstofsensor
