Aplicações da tecnologia de monitoramento online para umidade dos gases de combustão
Tecnologia de sensores de células de combustível
As emissões de gases de combustão de diversos queimadores e caldeiras industriais e comerciais têm causado grave poluição atmosférica. O monitoramento de gases tóxicos e nocivos presentes nesses gases é um aspecto importante dos esforços de proteção ambiental. Os Sistemas de Monitoramento Contínuo de Emissões (CEMS) surgiram para atender a essa necessidade, quantificando, em geral, os poluentes dos gases de combustão com base em condições de gases secos. No entanto, os gases de combustão industriais não são gases secos ideais e sempre contêm uma certa quantidade de umidade. Portanto, a umidade dos gases de combustão tornou-se um parâmetro essencial na medição das fontes de poluição, e a precisão dessa medição afeta diretamente o cálculo das emissões e concentrações totais de poluentes, bem como a avaliação da eficiência dos sistemas de purificação de gases de combustão.
Além disso, a calibração da umidade também representa um desafio significativo. Isso se deve à dificuldade de fabricação de geradores de umidade de alta temperatura, o que afeta a rastreabilidade dos valores de medição de instrumentos de umidade online. Para verificar e calibrar medidores de umidade de gases de combustão, é essencial dispor de dispositivos capazes de gerar fontes de umidade padrão, bem como referências e padrões de umidade. Métodos de medição de umidade capazes de determinar a umidade absoluta podem servir como referências de umidade, e gases com níveis de umidade conhecidos também podem servir como referências de umidade. A norma "Determinação de partículas e métodos de amostragem de poluentes gasosos emitidos por gases de exaustão de fontes estacionárias" (GB/T 16157-1996) especifica três métodos para medir a umidade dos gases de combustão: o método de bulbo seco-úmido, o método de condensação e o método gravimétrico. Servindo como métodos de referência para a detecção da umidade dos gases de combustão, esses três métodos podem ser usados para calibrar medidores de umidade de gases de combustão. Além disso, geradores de umidade podem produzir gás úmido constante sob condições específicas de temperatura e pressão, e também podem ser usados para calibrar medidores de umidade de gases de combustão. Com o avanço da tecnologia e a crescente ênfase do país na proteção ambiental, existem atualmente quatro métodos principais para a medição online da umidade de gases de combustão em altas temperaturas na China: método de injeção de fluxo constante (bulbo úmido-seco), método de resistência-capacitância, método de fluxo iônico baseado em zircônia (corrente limite) e método de absorção espectral infravermelha.
Introdução aos métodos de medição da umidade dos gases de combustão
>> Método do bulbo úmido-seco
O método de bulbo úmido e bulbo seco mede a umidade relativa do ar com base na diferença entre as temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco. As moléculas de água evaporam da superfície do bulbo úmido, transformando-se em vapor d'água, que precisa absorver o calor latente de vaporização. A evaporação contínua absorve calor da superfície e resfria o bulbo úmido. O grau de resfriamento é determinado pela umidade relativa do ar circundante, pela pressão atmosférica e pela velocidade do vento. Se a pressão atmosférica e a velocidade do vento permanecerem constantes, quanto maior a umidade relativa, menor a taxa de evaporação da água da superfície do bulbo úmido e menor a temperatura da superfície do bulbo úmido, que é a diferença entre a temperatura do bulbo úmido e a temperatura do bulbo seco; inversamente, quanto maior a diferença entre as temperaturas do bulbo úmido e do bulbo seco, maior será a umidade relativa. Assim, medindo-se a diferença entre as temperaturas do bulbo úmido e do bulbo seco e determinando-se a relação entre a umidade relativa e essa diferença de temperatura, é possível calcular a umidade relativa.2,3
>> Princípio da Medição de Umidade pelo Método do Bulbo Seco-Úmido
De acordo com os princípios de transferência de calor e umidade, quando o equilíbrio térmico e de umidade é atingido, a quantidade de transferência de calor Q1 do ar para o bulbo úmido é igual ao calor latente Q2 necessário para a evaporação da umidade da gaze, ou seja: Q1 = Q2 (1)
Com base no princípio de transferência de calor: Q1=α（t-tw）F (2)
Na fórmula: α é o coeficiente de troca de calor entre o ar e a superfície da água de bulbo úmido, W/m2 ·℃; t é a temperatura de bulbo seco, °C; tw é a temperatura de bulbo úmido, °C; F é a área da superfície de bulbo úmido, m².
De acordo com o princípio da transferência de umidade e a lei de evaporação de Dalton, a massa de água evaporada é diretamente proporcional ao déficit de saturação de vapor do ar circundante e à área de evaporação, e inversamente proporcional à pressão atmosférica naquele momento. Portanto, a taxa de troca de umidade[4] pode ser expressa como:
Na fórmula: W é a taxa de troca de umidade, kg/s; r é o calor latente de vaporização, J/kg; β é o coeficiente de troca de umidade, kg/(m²·s·Pa); F é a área da superfície do bulbo úmido, m²; B é a pressão atmosférica real, Pa; P'q,b é a pressão parcial do vapor de água saturado na temperatura do bulbo úmido, Pa; Pq é a pressão parcial do vapor de água no ar, Pa.
Derivado das fórmulas (1), (2) e (3):
Na fórmula: o coeficiente psicrômetro
Portanto, a umidade relativa é:
O método de bulbo seco e úmido, utilizado para monitorar gases de combustão de fontes poluentes, geralmente emprega dois termopares idênticos como sensores de temperatura: um para medir a temperatura de bulbo seco e o outro para a temperatura de bulbo úmido. O sensor de temperatura de bulbo seco é posicionado no fluxo principal de gases de combustão, enquanto o sensor de temperatura de bulbo úmido é envolto em gaze de algodão conectada a um recipiente com água. O bulbo úmido e os gases de combustão circundantes são tratados como um único sistema, sem considerar a condução de calor por radiação. Um dispositivo automático de medição de umidade, baseado no princípio do bulbo seco e úmido, utiliza um microprocessador para controlar sensores que medem e coletam parâmetros como as temperaturas das superfícies de bulbo úmido e bulbo seco, bem como a pressão na superfície do bulbo úmido e a pressão estática dos gases de combustão. Ele calcula a pressão de vapor de água saturada na temperatura da superfície do bulbo úmido e, combinada com a pressão atmosférica de entrada, calcula automaticamente o teor de umidade dos gases de combustão utilizando a fórmula.
1-Gripe;
2-Termômetro de bulbo seco;
3-Termômetro de bulbo úmido;
4 - Tubo de amostragem isolado;
5 - Manômetro de vácuo;
6-Rotâmetro;
7-Bomba de sucção de ar
>> Método de Jateamento de Fluxo Constante
Método de jateamento de fluxo constante (bulbo seco-úmido). O princípio básico da medição da umidade por bulbo seco-úmido é o seguinte: um sensor de temperatura (5) mede a temperatura dos gases de combustão como a temperatura de bulbo seco, e uma célula de medição (3) é preenchida com uma certa quantidade de água. A água no tanque (1) é continuamente fornecida à célula de medição por uma bomba de mangueira (2). O nível da água na célula de medição é monitorado por um sensor, e a pressão dentro da célula também é detectada por um sensor para garantir a precisão da medição e monitorar o líquido. Um sensor de temperatura (6) é instalado dentro da célula de medição e precisa ser posicionado abaixo da superfície da água. Os gases de combustão são então continuamente jateados a uma vazão constante diretamente acima da superfície da água na célula de medição, e a temperatura detectada é considerada a temperatura de bulbo úmido (ver Figura 2). Com base nos princípios de transferência de calor e termodinâmica, a seguinte fórmula matemática pode ser deduzida:
Na fórmula
U—Umidade relativa %;
etw—Pressão de vapor de água saturada à temperatura de bulbo úmido;
et—Pressão de vapor de água saturada à temperatura de bulbo seco;
P—Pressão atmosférica;
∆t — Diferença de temperatura entre a temperatura de bulbo seco e a temperatura de bulbo úmido;
A—Constante relacionada à velocidade do vento.
Higrômetro de alta temperatura com jato de fluxo constante da Chang Ai
O CI-PC39 da Chang Ai tem sido aplicado com sucesso em processos de medição de alta temperatura e alta umidade, bem como em processos envolvendo gases corrosivos e com alta concentração de poeira. Em muitos processos industriais, é necessário monitorar e controlar a umidade dos gases de processo para garantir a qualidade do produto, otimizar a eficiência energética ou atender às metas de redução de emissões. O CI-PC39 é um higrômetro de processo projetado para os requisitos de aplicação industrial mais rigorosos, incluindo a medição de umidade em meios agressivos com resistência à corrosão (como usinas de incineração de resíduos, ácido sulfúrico, ácido fluorídrico ou água régia). Ele apresenta dados de medição precisos e confiáveis, ampla faixa de temperatura de operação, baixa necessidade de manutenção e longa vida útil. Suas desvantagens incluem o alto preço, o tamanho grande e a necessidade de reabastecimento regular de água.
Com base na fórmula matemática acima, podemos ver claramente que o método de jato de corrente constante para medir a umidade nos gases de combustão é alcançado por meio da medição indireta da temperatura dos gases de combustão. Seu produto representativo é mostrado na Figura (3).
A tecnologia de medição de temperatura é relativamente madura e confiável. Mesmo em condições de trabalho extremamente adversas, a substituição dos sensores de temperatura no local pode ser realizada com facilidade. Embora o princípio de funcionamento do bulbo úmido-seco seja o método de jato de fluxo constante, ele não é semelhante aos higrômetros comumente usados no mercado por departamentos de meteorologia para medir a umidade relativa do ar. Este higrômetro alcançou os resultados de medição mencionados por meio de um design inovador, revolucionário e completamente novo.
Método de condensação
O princípio do método de condensação é o seguinte: um determinado volume de gás de escape é extraído da chaminé e passa por um condensador. O teor de umidade no gás de escape é calculado somando-se a quantidade de água condensada e a quantidade de vapor de água contida no gás saturado descarregado pelo condensador.
● Condensador, veja a Figura (1)
● Dispositivo de amostragem de poeira de chaminé: Consiste em um amostrador de poeira de chaminé (capaz de medir tr, tv, Pr, Qrw, ajuste de tempo n e função de secagem de gás), tubo de amostragem e bomba de ar.
>> Procedimentos de Detecção
● Conecte o condensador ao tubo de água fria ou coloque-o diretamente em água com gelo, depois conecte todo o sistema conforme mostrado na Figura 2 e verifique se há vazamentos de gás em todo o sistema;
● Método de inspeção de vazamentos de gás: bloqueie o tubo de borracha entre o tubo de amostragem e o condensador e, em seguida, ligue a bomba de ar. Quando a pressão negativa indicada pelo manômetro antes do fluxômetro atingir 6,6 kPa (50 mmHg), vede o tubo de borracha entre o fluxômetro e a bomba de ar e desligue o bombeamento. Se a pressão indicada no manômetro não cair mais de 0,2 kPa (1,5 mmHg) em 1 minuto, o sistema está hermeticamente fechado.
Figura (2) Sistema de Medição e Amostragem de Umidade
Cálculo
A porcentagem em volume do conteúdo de vapor de água nos gases de combustão deve ser calculada de acordo com a seguinte fórmula:
Na fórmula:
Quantidade de água condensada no condensador, em gramas;
Volume amostrado de gases de combustão (nas condições de medição), em litros;
Pressão de vapor saturado do gás após passar pelo condensador, Pa; este valor pode ser obtido na tabela anexa de acordo com a temperatura de saturação tv do gás na saída do condensador;
Constante dos gases do vapor de água
Na fórmula, Vs representa a vazão real nas condições de medição. Quando um rotâmetro é usado para medir o volume de gás amostrado, a leitura do rotâmetro Qrw durante a amostragem deve ser corrigida para a vazão real Qr nas condições de medição e, em seguida, multiplicada pelo tempo de amostragem para obter o volume de gás amostrado Vs nas condições de medição, ou seja,
