Rookgasvochtigheid met vaste vervuilingsbron

Bij de conventionele monitoring van rookgasemissies is de vochtigheid van de rookgassen een belangrijke parameter, maar tevens de moeilijkst nauwkeurig te meten. De vochtigheidsmeting zelf wordt beïnvloed door andere factoren (atmosferische druk, temperatuur), en bij de meting van de vochtigheid van rookgassen moet men bovendien rekening houden met hoge temperaturen, veel stof, een hoge luchtvochtigheid, onderdruk en corrosie.

Daarnaast is het kalibreren van de luchtvochtigheid een lastig probleem. De reden hiervoor is dat het moeilijk is om een ​​hogetemperatuur-luchtvochtigheidsgenerator te produceren, wat de online meting van de luchtvochtigheid beïnvloedt. Om een ​​rookgasvochtigheidsmeter te verifiëren en te kalibreren, is een apparaat nodig dat een standaardvochtigheidsbron en een standaardvochtigheidsnorm kan genereren. Een vochtigheidsmeetmethode die een absolute meting van de luchtvochtigheid mogelijk maakt, kan als referentie worden gebruikt. Gassen met een bekende vochtigheid kunnen ook als referentie dienen. De norm "Sampling Method of Particulate and Gaseous Pollutants in the Exhaust of Fixed Pollution Source" (GB/T16157-1996) schrijft drie soorten rookgasvochtigheidsmeetmethoden voor: de condensatiemethode, de gewichtsmethode en de droog-nat-balmethode. Deze methoden worden gebruikt als referentiemethode voor rookgasvochtigheidsmeting en kunnen worden gebruikt voor het kalibreren van rookgasvochtigheidsmeters. Bovendien genereert een vochtigheidsgenerator een constante luchtvochtigheid bij een bepaalde temperatuur en druk, en kan deze ook worden gebruikt voor het kalibreren van de rookgasvochtigheidsmeter.

1. Inleiding tot de meetmethode voor de vochtigheid van rookgassen

Droog-natte balmethode

De drie referentiemethoden voor luchtvochtigheid in de norm GB/T16157-1996 zijn niet ideaal voor praktische toepassingen. De gewichtsmethode en de condensatiemethode zijn complex, vereisen hoge testomstandigheden en nemen veel tijd in beslag. De droog-nat-balmethode is eenvoudig, maar de foutmarge is groot.

Het grootste probleem bij het meten van de vochtigheid van rookgassen met de droog-natte-balmethode is dat de temperatuur van de rookgassen hoog is, vaak hoger dan 100 °C, terwijl de temperatuur van de droge bal de werkelijke temperatuur van de rookgassen niet kan bereiken.

De temperatuur ligt doorgaans tussen de omgevingstemperatuur en de temperatuur van de rookgassen, wat resulteert in een vaste meetfout. Zong Ningsheng is van mening dat bij het meten van de vochtigheid van rookgassen met de droog-nat-methode de volgende stappen in acht moeten worden genomen: De meting kan worden uitgevoerd wanneer de temperatuurindicator stabiel is en niet meer stijgt (na 5-10 minuten). De verbindingsbuis tussen de monsternamebuis en de droog- en natthermometers moet kort zijn en de buiswand mag niet te dun zijn, om te voorkomen dat de temperatuur van de rookgassen te veel daalt. In koude klimaten moeten verwarmde monsternamebuizen worden gebruikt.

Chang-Ai verbeterde de droog-nat-bolthermometer en de verwarmde rookgasmonsterbuis om fouten te voorkomen die ontstaan ​​doordat het rookgas het dauwpunt bereikt en er stoomcondensatie optreedt in de monsterbuis.

Figuur 1CI-PC39 Overzicht

Door de verwarmingstemperatuur van de monsternamebuis aan te passen, wordt het verschil tussen de rookgastemperatuur bij het binnenkomen van de droog-natbolkamer en de rookgastemperatuur bij het monsternamepunt vermeden. De nauwkeurigheid en stabiliteit van de zelfgemaakte droog-natbolhygrometer werden onderzocht met behulp van de standaard droog-natbolmethode en de gewichtsmethode. De resultaten tonen aan dat de door de hygrometer gemeten vochtigheidsgegevens betrouwbaar en effectief zijn, gevoelig reageren op veranderingen in de vochtigheid van de rookgassen en continu en stabiel kunnen werken. Hoewel de droog-natbolmethode het werkingsprincipe van de droog-natbolhygrometer is, is het geen gangbaar vochtigheidsinstrument zoals dat door de weerdienst wordt gebruikt om de relatieve luchtvochtigheid te meten. Dit vochtigheidsinstrument is een gloednieuw, of zelfs innovatief, ontwerp. Om de bovengenoemde meetresultaten te bereiken, is een representatieve afbeelding van het product te zien in Figuur 1.

De meettechniek van Chang-Ai is succesvol toegepast in processen met hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid, evenals in processen met corrosieve en stofbevattende gassen. In veel processen is het, om de productkwaliteit te waarborgen, energie efficiënt te gebruiken of emissies te verminderen, noodzakelijk om de luchtvochtigheid van het procesgas te bewaken en te regelen. De CI-PC39 is een procesvochtigheidsmeter die voldoet aan de strengste industriële eisen, waaronder corrosiebestendigheid, continu bedrijf en ongevoeligheid voor vervuiling.

Condensatiemethode

Het principe van de condensatiemethode is dat een bepaald volume uitlaatgas uit de rookgasafvoer wordt afgezogen en door een condensor wordt geleid. Het watergehalte in het uitlaatgas wordt berekend aan de hand van de hoeveelheid gecondenseerd water en het waterdampgehalte van het verzadigde gas dat uit de condensor komt. Het principe van de weegmethode is dat een bepaald volume uitlaatgas uit de rookgasafvoer wordt afgezogen, waarna het vocht in het uitlaatgas wordt geabsorbeerd door een vochtabsorberend middel. Het gewicht van het vochtabsorberende middel in het uitlaatgas vertegenwoordigt het watergehalte in het bekende volume uitlaatgas. Beide methoden zijn in principe vergelijkbaar. De massaconcentratie van het vochtgehalte in de rookgassen wordt direct verkregen door het vochtgehalte te wegen en te delen door het bemonsterde volume. Vervolgens wordt de massaconcentratie omgerekend naar een volumeprocent.

De droog-nat-balmethode is eenvoudig te bedienen en heeft een groot aanpassingsvermogen. Het is een veelgebruikte referentiemethode voor online metingen van de vochtigheid van rookgassen. De condensatiemethode en de gewichtsmethode hebben een hogere nauwkeurigheid, maar de test is complexer, vereist veel personeel, duurt lang en is niet geschikt voor online metingen van de vochtigheid van rookgassen. Deze methoden kunnen alleen worden gebruikt als laboratoriummethode en als vergelijkingsmethode voor online metingen.

Inhibitiemethode

Wanneer een stof tussen twee elektroden wordt geplaatst, verandert de capaciteit tussen de elektroden wanneer deze waterdamp absorbeert. Het vochtgehalte van rookgas kan worden bepaald door de capaciteitsverandering van het vochtabsorberende materiaal te meten; dit wordt een capacitieve vochtigheidssensor genoemd. Traditionele capacitieve vochtigheidsmeters hebben echter problemen met de sensorgevoeligheid, vochtigheidshysteresis, temperatuurcoëfficiënt en stabiliteit op lange termijn.

De uitvinding betreft een online, volumebestendige, hogetemperatuur -rookgasvochtmeter volgens een gepatenteerd product. Deze vochtmeter is een verbeterde capacitieve vochtmeter met een goede corrosiebestendigheid en hoge gevoeligheid. De meter maakt gebruik van een polymeerfilm-capacitieve vochtigheidssensor.

Als vochtigheidssensor wordt een platina weerstandstemperatuursensor gebruikt voor temperatuurcompensatie. Het werkingsprincipe wordt weergegeven in figuur 1: de waterdamp passeert de bovenste elektrode van de vochtigheidssensor met hoogmoleculaire filmcapaciteit en bereikt de hoogmoleculaire actieve polymeerfilm. Omdat de sensor klein is en de polymeerfilm erg dun, kan de sensor snel reageren op veranderingen in de omgevingsvochtigheid.

Figuur 2. Blokschema van het werkingsprincipe van een watermeter met weerstand en capaciteit.

De waterdamp die in het polymeer wordt geabsorbeerd, verandert de diëlektrische eigenschappen van de sensor en daarmee de capaciteitswaarde. Het uitgangssignaal van de capacitieve vochtigheidssensor wordt omgezet in een spanningswaarde, die vervolgens via de temperatuursensor een temperatuursignaal genereert voor automatische temperatuurcompensatie. De vochtmeter kan het watergehalte meten in het bereik van 0~20%±2% bij een rooktemperatuur van ≤180°C.

De afgelopen jaren is er veel onderzoek gedaan naar betere vochtgevoelige materialen. Organische polymeermaterialen hebben daarbij veel aandacht gekregen vanwege hun hoge gevoeligheid, snelle respons en geringe vochtigheidshysteresis. Er zijn twee hoofdtypen vochtgevoelige materialen: de CAB-serie (celluloseacetaatbutyraat) en de P-serie (polyimide).

De organische polymeer capacitieve vochtigheidssensor werd oorspronkelijk gemaakt van celluloseacetaat en derivaten daarvan. Tegenwoordig wordt celluloseacetaat het meest gebruikt. Het Japanse bedrijf Sakai heeft de eigenschappen van verschillende cellulosederivaten vergeleken en de capaciteit, temperatuur en absorptie-isothermen bestudeerd. De resultaten tonen aan dat om een ​​niet-hygroscopische vochtigheidssensor te maken, de hoeveelheid water beperkt moet worden en interactie tussen moleculen moet worden voorkomen. Er wordt gesuggereerd dat celluloseacetaat, met name het element gemaakt van een poreuze gouden elektrode, niet alleen een snelle respons heeft, maar ook weinig hygroscopische hysteresis vertoont.

Matsuguchi stelde de synthese voor van laagpolymere materialen met acetyleengroepen aan beide uiteinden van polyimide. In de laagpolymere toestand wordt het materiaal opgelost in een oplossing en wordt de film op een substraat aangebracht. Na verhitting ontstaat een polyimide met een stereolinkstructuur, die moeilijk in water oplost. Omdat het materiaal na stolling niet van water scheidt en er moeilijk microgaatjes in de uitgeharde film ontstaan, is het een vochtgevoelig materiaal met een goede waterbestendigheid. De resultaten tonen aan dat het vochtgevoelige element van het gemodificeerde polyimide een snelle respons heeft en vrijwel geen hysteresis vertoont. De temperatuurcoëfficiënt is klein, de oplosmiddelbestendigheid (aceton) is goed en de stabiliteit is aanzienlijk verbeterd.

Chen Xingzhu heeft een nieuw type capacitieve composiet diëlektrische film vochtigheidssensor voorgesteld. De diëlektrische film is samengesteld uit twee soorten PI (CAB) met verschillende lineaire output- en temperatuurkarakteristieken. In vergelijking met de afzonderlijke materialen PI en CAB heeft het composietmateriaal een kleine hysteresis, een kleine niet-lineaire fout en een kleine temperatuurcoëfficiënt, en vertoont het een duidelijke verbetering in herhaalbaarheid en stabiliteit op lange termijn. Dit biedt een nieuw idee voor het functioneel ontwerp van diëlektrisch materiaal voor capacitieve vochtigheidssensoren. Een representatieve afbeelding van het product is te zien in Figuur 3.

Figuur 3 CI-XS200 dauwpuntsensorprofiel

De belangrijkste voordelen van de capacitieve methode zijn de hoge gevoeligheid, snelle respons, eenvoudige fabricage en gemakkelijke realisatie van miniaturisatie en integratie. Momenteel worden online vochtigheidsmeters voor rookgassen in China veelvuldig toegepast, maar de stabiliteit op lange termijn is niet optimaal en bij de meeste sensoren treedt na langdurig gebruik een aanzienlijke drift op, wat kan leiden tot storingen en schade. Capacitieve vochtigheidssensoren zijn minder corrosiebestendig, waardoor ze vaak een hogere mate van reinheid vereisen. Sommige producten vertonen bovendien nog steeds problemen zoals blikseminslag en elektrostatische ontlading. Kortom, dit is een methode die voortdurend in ontwikkeling is.

Beperk de huidige methode

Uit een diepgaande theoretische studie, uitgevoerd aan de hand van een groot aantal experimenten, is gebleken dat een ionenstroomsensor een nauwkeurige meting van de luchtvochtigheid mogelijk maakt. Door de spanning op de kathode en anode van de sensor te variëren, kan de luchtvochtigheid worden gemeten. Deze bevinding lost het probleem op dat gewone vochtigheidssensoren niet bestand zijn tegen hoge temperaturen (bijvoorbeeld boven de 100 °C).

Er wordt een bedrijfsspanning aangelegd aan de anode en kathode van het zirkoniumoxide om een ​​elektrisch veld te creëren dat zuurstofionen van de kathode drijft, waardoor een zuurstofionenstroom door het zirkoniumoxide naar de anode ontstaat. Wanneer de zuurstofconcentratie in de te meten atmosfeer constant is, neemt de stroomsterkte van de zirkoniumoxidesensor niet toe met een verhoging van de aangelegde spanning, maar bereikt een constante waarde. Deze constante stroomsterkte wordt de grenswaarde van de zuurstofconcentratie genoemd, oftewel de eerste grenswaarde. Volgens het werkingsprincipe wordt, wanneer de te meten atmosfeer waterdamp bevat, deze door verhoging van de aangelegde spanning ook geïoniseerd tot zuurstofionen. Wanneer de waterdampconcentratie in de te meten atmosfeer constant is, geeft de zirkoniumoxidesensor een constante stroomsterkte af, die de tweede grenswaarde wordt genoemd.

Figuur 4 Het verband tussen grensstroom en toegepaste spanning

Figuur 5. Het curvediagram van de uitgangsstroomlimiet van de sensor onder waterdamp.

De reactie aan de kathode en anode van de sensor is als volgt:

Kathodezijde:O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Anodezijde: O2- → 1/2O2+2e- (6)

Volgens de Fick-regel voor gasdiffusie van de sensor worden de eerste grensstroom I1 en de tweede grensstroom I2 respectievelijk weergegeven door de volgende formule, onder de voorwaarde dat de diffusiecoëfficiënt van zuurstof gelijk is aan de diffusiecoëfficiënt van waterdamp:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

In de formule: F is de Faradayconstante, D is de diffusiecoëfficiënt van het gasmengsel, S is het oppervlak van het diffusiegat, P is de totale druk van het gasmengsel, PO2 is de partiële druk, PH2O is de partiële druk van waterdamp, R is de gasconstante, T is de absolute temperatuur, L is de lengte van het gasdiffusiegat, 0,21 is het zuurstofgehalte in de lucht.

Het toepassingsgebied van ionenstroom-vochtigheidsmeting is:

Chang Ai Co., Ltd. heeft in samenwerking met Dr. Zhang Yi Can (een Chinees die als eerste de extreemstroom-type zirkoniumoxidesensor in China introduceerde) en zijn team, en Yang Bang Chao, directeur van het Instituut voor Micro-elektronica en Vaste Materialen van de Chengdu Universiteit voor Elektronische Wetenschappen en Technologie, een voortrekkersrol gespeeld in de toepassing van ionenstroomsensoren voor het meten van hoge temperaturen en luchtvochtigheid. In 2006 introduceerde het bedrijf als eerste het GRL-12 instrument voor het meten van hoge temperaturen en luchtvochtigheid op basis van een ionenstroomsensor (Figuur 5). Vóór de Groene Olympische Spelen van 2008 heeft het bedrijf een groot aantal toepassingen gerealiseerd, onder andere bij cokesfabrieken in Shanxi en bij de monitoring van emissies van thermische centrales. Dit heeft het bedrijf, vanuit zijn plicht en betrokkenheid bij milieubescherming en -monitoring, een belangrijke bijdrage geleverd aan de Chinese economie. In de meer dan tien jaar dat Chang'ai Company actief is, heeft het bedrijf een groot aantal instrumenten voor vochtigheidsanalyse ontwikkeld op basis van ionenstroomsensoren, zoals de CI-PC18-serie vochtigheidszender, de CI-PC19-serie bodemvochtigheidsmeter, de CI-PC168-serie hogetemperatuurvochtigheidsanalysator , het CI-PC193-systeem voor vochtigheidsdetectie in de voedingsindustrie en het CI-PC196-systeem voor hogetemperatuurvochtigheidsanalyse. Deze producten worden weergegeven in afbeelding 6.

Figuur 6 CI-PC18 profiel van de hogetemperatuurhygrometer

Sensorstructuur:

Figuur 6 3D-structuur van een ionenstroom-vochtigheidssensor

Deze producten worden veelvuldig gebruikt in de sectoren milieubescherming, druk- en verfindustrie, houtindustrie, bouwmaterialenindustrie, papierindustrie, chemische industrie, vezelindustrie en farmacie, evenals in de verwerkings- en opslagindustrie van voedsel, tabak, groenten en granen.

Droog-natte zuurstofmethode

De zuurstofsensor van het CEMS-systeem wordt gebruikt om het zuurstofgehalte te meten vóór en na de ontvochtiging van rookgassen. Bij het berekenen van het vochtgehalte in rookgassen wordt de luchtvochtigheid van de rookgassen berekend volgens de volgende formule:

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

In formule (1) zijn X en O2 het volumepercentage zuurstof in het natte rookgas, %, en Xo2 het volumepercentage zuurstof in het droge rookgas, %.

Het grootste probleem bij het meten van droge en natte zuurstof is dat er twee instrumenten nodig zijn om respectievelijk droge en natte zuurstof te meten. De fout die ontstaat door het verschil in meetpunten en meetfouten is als volgt: de fouten van de twee instrumenten worden bij elkaar opgeteld. Deze fouten zijn met deze methode moeilijk te verhelpen.

Infraroodabsorptie

Absorptiespectroscopie is een belangrijke techniek bij moderne vochtigheidsmetingen, waaronder infrarood- en ultravioletabsorptie. De meettechnologie gebaseerd op het nabij-infraroodabsorptiespectrum is inmiddels verder ontwikkeld en de meetnauwkeurigheid, gevoeligheid en het meetbereik zijn beter dan die van traditionele vochtigheidsanalysemethoden.

De infraroodabsorptiemethode maakt gebruik van het principe dat water infrarood licht met een specifieke golflengte sterk absorbeert. De mate van lichtabsorptie varieert afhankelijk van het watergehalte en volgt de wet van Lambert-Beer. Door de transmissie van het gas te meten bij de absorptiegolflengte en de referentiegolflengte, wordt de verhouding tussen de transmissie van de twee golflengten bepaald als functie van het waterdampgehalte in het gas. Wan Jia Rong heeft vastgesteld dat de meest gebruikte absorptiegolflengten 1,45 μm en 1,94 μm zijn, en de meest gebruikte referentiegolflengten 1,73 μm en 2,1 μm.

Er zijn twee soorten methoden voor het meten van luchtvochtigheid op basis van nabij-infraroodabsorptiespectroscopie: laserdiode-resonantie-attenuatiespectroscopie (CRDS) en afstembare laserdiode-absorptiespectroscopie (TLDAS). De CRDS-resonator is eenvoudig van structuur en klein van formaat, wat een snelle gasverversing garandeert, waardoor CRDS zeer geschikt is voor online metingen. TDLAS is een relatief vol成熟e technologie voor het meten van absorptiespectra, die al wordt gebruikt voor micro-vochtigheidsmetingen en de voordelen heeft van een hoge gevoeligheid en snelle respons.

De infraroodabsorptiemethode die wordt gebruikt voor het meten van de vochtigheid in rookgassen, vereist echter dat interferentie door CO2/SO2/NOx-gevoelige golflengten wordt vermeden, wat moeilijk is, in combinatie met de hoge kosten van het instrument. Daarom wordt deze methode zelden gebruikt voor het meten van de vochtigheid in rookgassen.

Hoge temperatuur vochtigheidsgenerator

Omdat de temperatuur van rookgassen over het algemeen hoger ligt, zo'n 80°C tot 120°C, terwijl een gewone vochtigheidsgenerator een constante vochtigheid genereert bij normale temperatuur, is het zelfs bij hoge temperaturen moeilijk te garanderen dat de temperatuur tijdens gebruik constant blijft. Het is vaak lastig om aan de eisen te voldoen als een vochtigheidsgenerator voor normale temperatuur wordt gebruikt om een ​​vochtigheidsmeter voor rookgassen bij hoge temperaturen te kalibreren. Dit legt grote beperkingen op aan onderzoek en toepassing van vochtigheidsmetingen bij hoge temperaturen. Met name capacitieve vochtigheidssensoren zijn gevoelig voor temperatuurafwijkingen, naast de omgevingsvochtigheid, waardoor ze gemakkelijk temperatuurdrift vertonen. Daarom is de ontwikkeling van een vochtigheidsgenerator voor hoge temperaturen noodzakelijk.

De hogetemperatuur-vochtigheidsgenerator kan een stabiele vochtigheid produceren bij hogere temperaturen. Het is een handig en intuïtief kalibratieapparaat voor instrumenten die de vochtigheid van rookgassen meten. Zhang Wen Dong ontwikkelde een nauwkeurige hogetemperatuur-vochtigheidsgenerator op basis van het principe van de dubbele temperatuur- en dubbele drukmethode. De temperatuurstabiliteitsexperimenten werden uitgevoerd bij 50 °C, 100 °C en 150 °C gedurende 2 uur. De testresultaten voor de temperatuurstabiliteit van de verzadigingsolietank en de testkamer lagen binnen 0,02 °C. De maximale theoretische onzekerheid van het apparaat is ±1,09 RH. De nauwkeurigheid van het apparaat werd geverifieerd met behulp van testresultaten van een hygrometer op basis van de gewichtsmethode. Het apparaat kan worden gebruikt voor het corrigeren van hogetemperatuur-vochtigheidssensoren en -transmitters.

2. Samenvatting

Het meten van de vochtigheid van rookgassen is een bekend probleem. De droog-nat-balmethode, die als referentiemethode is vastgelegd in de nationale norm, is gevoelig voor fouten. De condensatiemethode en de weegmethode zijn zeer nauwkeurig, maar de bediening is complex en ze zijn alleen geschikt voor laboratoriumgebruik. De online meetmethode voor de vochtigheid van rookgassen die in Chinese CEMS-systemen wordt gebruikt, is de capaciteitsmethode en de grensstroommethode. Beide methoden vallen onder de categorie elektronische vochtigheidssensoren. De toepassingsmogelijkheden zijn breed, maar de bestendigheid tegen vervuiling en de stabiliteit op lange termijn moeten nog worden verbeterd. De droog-nat-zuurstofmethode kent echter een grote foutmarge en de infraroodabsorptiemethode is duur, waardoor deze minder wordt gebruikt. Ook is het lastig om met een vochtigheidsgenerator voor normale temperaturen te voldoen aan de kalibratie-eisen van een instrument voor het meten van de vochtigheid van rookgassen. De ontwikkeling van een vochtigheidsgenerator voor hoge temperaturen en hoge vochtigheidsniveaus is noodzakelijk, maar vormt tegelijkertijd een technisch probleem.