Aplicações da tecnologia de monitoramento online para umidade dos gases de combustão -2
Fluxo de íons (zircônia)
Com base em pesquisas teóricas aprofundadas e inúmeros experimentos, verificou-se que os sensores de fluxo iônico podem realizar medições de umidade precisas. A medição da umidade pode ser realizada ajustando-se a tensão aplicada ao cátodo e ao ânodo do sensor. Essa descoberta resolve o problema de que os sensores de umidade convencionais não operam de forma eficaz em ambientes de alta temperatura (como acima de 100 °C).
Eletrodos de platina são depositados em ambos os lados de ZrO2 estabilizado. O lado do cátodo é montado com uma tampa que possui orifícios para difusão de gás, formando uma cavidade catódica. A uma determinada temperatura, uma tensão operacional específica é aplicada entre o ânodo e o cátodo de ZrO2. As moléculas de oxigênio dentro da cavidade ganham elétrons no cátodo, formando íons de oxigênio (O2-). Os íons O2- migram para o ânodo através das vacâncias de oxigênio no ZrO2, liberam elétrons e são convertidos em moléculas de oxigênio que são descarregadas para fora. Esse fenômeno é conhecido como bomba eletroquímica. Dessa forma, o oxigênio na cavidade catódica é continuamente bombeado para fora da cavidade pelo eletrólito de ZrO2, e os íons de oxigênio fluem do cátodo através do ZrO2 para o ânodo, formando uma corrente de íons de oxigênio. Quando a concentração de oxigênio na atmosfera medida é constante, a corrente de saída do sensor de zircônia não aumenta mais com o aumento da tensão aplicada, mas atinge um valor constante. Esse valor de corrente constante é denominado valor de corrente limite para aquela concentração de oxigênio, que chamamos de primeiro valor de corrente limite (como mostrado na Figura 1-A). Com base nesse princípio de funcionamento, quando a atmosfera medida contém vapor de água, o aumento da tensão de operação aplicada faz com que o vapor de água seja ionizado em íons de oxigênio. Da mesma forma, quando a concentração de vapor de água na atmosfera medida é constante, o sensor de zircônia emite um valor de corrente constante, que é denominado segundo valor de corrente limite (como mostrado na Figura 1-B). O valor da corrente do primeiro estágio, I1, e o valor da corrente do segundo estágio, I2, são proporcionais, respectivamente, à pressão parcial de oxigênio na atmosfera contendo vapor de água.
As reações no cátodo e no ânodo do sensor são as seguintes:
Figura (2) Princípio do fluxo iônico
De acordo com a lei de Fick, limitada pelos orifícios de difusão de gás do sensor, e assumindo que o coeficiente de difusão do oxigênio é igual ao do vapor de água, a primeira corrente limite I1 e a segunda corrente limite I2 são expressas pelas seguintes fórmulas, respectivamente:
Na fórmula:
F é a constante de Faraday e S é a área dos orifícios de difusão.
D é o coeficiente de difusão das moléculas da mistura gasosa. P é a pressão total da mistura gasosa.
PO2 é a pressão parcial do oxigênio e PH2O é a pressão parcial do vapor de água.
R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta.
L é o comprimento dos orifícios de difusão de gás. 0,21 é o teor de oxigênio no ar.
A curva de relação entre o valor da corrente limite iônica e a concentração de oxigênio é mostrada na Figura (3):
O teor de oxigênio nos gases de combustão pode ser calculado com base na primeira corrente limite, enquanto a umidade nos gases de combustão pode ser calculada de acordo com a diferença entre a segunda e a primeira corrente limite. Portanto, os higrômetros que adotam o princípio da zircônia com corrente limite apresentam uma clara vantagem sobre aqueles que utilizam outros princípios. Como sua função principal é a detecção de oxigênio e a medição de oxigênio é um pré-requisito para a medição de umidade, os usuários não precisam instalar um analisador de oxigênio separado. Um único higrômetro pode fornecer ambos os conjuntos de dados de medição simultaneamente.
>> Analisador de umidade e fluxo iônico 3D por sucção
Diversas empresas na China fabricam analisadores de umidade e temperatura de alta temperatura do tipo sucção. Aqui, os produtos da Chang Ai são apresentados como exemplo.
Para lidar com o impacto de atmosferas corrosivas em eletrodos de sensores, a Chang Ai aprimorou os materiais catalíticos de eletrodo de zircônia-platina e adotou um novo material eletrolítico por meio de nanotecnologia de síntese química. Esse método resolve o problema da corrosão do eletrodo e da curta vida útil em gases de combustão com alto teor de SO2 provenientes de usinas de incineração de resíduos, calcinação de minérios, fábricas de cerâmica e usinas de energia. Além disso, partindo do princípio de sensores de corrente limitante, a Chang Ai inovou ao integrar dois sensores de oxigênio em um único chip, solucionando completamente o desafio de um único sensor de oxigênio não conseguir medir simultaneamente o oxigênio dinâmico e o oxigênio eletrolítico úmido.
O dispositivo de fluxo iônico 3D adota uma unidade de detecção de fluxo iônico duplo. Uma unidade mede o conteúdo de vapor de água e oxigênio, enquanto a outra mede o conteúdo de oxigênio puro. Aplicando diferentes voltagens para ionizar os íons de oxigênio e misturá-los com o vapor de água, os conteúdos de íons de oxigênio e vapor de água podem ser obtidos por meio da medição da corrente. Apresentando alta resistência à temperatura e desempenho antipoluição, este sensor pode operar de forma estável em ambientes gasosos agressivos. Seu princípio e estrutura são mostrados na Figura 4.
Figura (4) Estrutura de um sensor de umidade de fluxo iônico
O analisador de umidade por fluxo iônico 3D CI-PC196 consiste em uma sonda de amostragem de alta temperatura e na unidade de controle do instrumento (conforme mostrado na Figura 5). A unidade de controle suporta funções de retrolavagem automática e calibração automática. A sonda é equipada com uma função de aquecimento para evitar a formação de condensação em seu interior, e sua extremidade possui um filtro de aço inoxidável sinterizado ou cerâmica.
Figura (5) Medidor de umidade de alta temperatura CI-PC196
A sonda inclui um filtro primário inserido na chaminé, um tubo de amostragem, uma unidade de purga e um sensor localizado na extremidade externa à chaminé, em temperatura ambiente. O gás de combustão em alta temperatura é extraído da chaminé por uma bomba ejetora acionada por ar comprimido. O gás entra pela entrada do sensor e sai pela saída de ar. Controlando a pressão e a vazão do ar comprimido, é possível regular a vazão do gás aspirado. A sonda é um sensor de oxigênio do tipo corrente, com princípio de funcionamento diferente das sondas de zircônia do tipo concentração de inserção direta. Em condições de alta temperatura, o material de zircônia (ZrO₂) torna-se condutor devido à migração de íons de oxigênio. Quando a temperatura excede 650 °C, os íons de oxigênio migram; à medida que a concentração de oxigênio aumenta, a corrente aumenta proporcionalmente ao aumento do fluxo iônico.
Em comparação com sensores de umidade convencionais de polímero, eletrólito e cerâmica, este instrumento difere completamente em termos de projeto estrutural, métodos de teste e princípios de funcionamento, oferecendo vantagens notáveis: apresenta excelente resistência à temperatura e à corrosão (o sensor opera a temperaturas superiores a 600 °C), permitindo seu uso em ambientes com temperaturas acima de 200 °C. Ele mede o teor de umidade com base na quantidade de vapor de água decomposto sob tensão de decomposição, proporcionando assim seletividade superior. Além disso, este princípio permite medir a umidade e a concentração de oxigênio simultaneamente. É amplamente utilizado nas indústrias de proteção ambiental, impressão e tingimento, madeira, materiais de construção, fabricação de papel, química, fibras e farmacêutica, bem como nos setores de processamento e armazenamento de alimentos, tabaco, vegetais e grãos.
>> Método de Oxigênio Úmido-Seco
Quando os sensores de oxigênio equipados no sistema CEMS são usados para medir o teor de oxigênio dos gases de combustão antes e depois da desumidificação, e calcular a umidade nos gases de combustão, a umidade dos gases de combustão é calculada usando a seguinte fórmula:
Na fórmula (1), X'O2 representa a porcentagem em volume de oxigênio no gás de combustão úmido, %, e Xo2 representa a porcentagem em volume de oxigênio no gás de combustão seco, %.
Por exemplo: se a concentração de O2 nos gases de combustão úmidos for de 6,8% e a leitura dos gases de combustão secos após a desumidificação for de 7,4% de O2, seja Xsw o teor de umidade dos gases de combustão, então
A principal desvantagem do método de oxigênio seco-úmido é a necessidade de dois instrumentos para medir o oxigênio seco e o oxigênio úmido, respectivamente. Os erros resultantes incluem erros de amostragem causados por pontos de amostragem inconsistentes, bem como erros sobrepostos resultantes da deriva de medição nos próprios dois instrumentos. Esses erros são difíceis de superar com esse método.
Espectroscopia de infravermelho
Na natureza, cada gás absorve luz em comprimentos de onda específicos. Quando um feixe de luz branca (contendo todos os componentes de comprimento de onda) atravessa o gás, a luz emitida enfraquece ou perde esses componentes de comprimento de onda específicos. Em espectroscopia, os componentes de uma substância podem ser determinados pela composição das linhas espectrais de absorção do gás. Analisando o grau de absorção da luz em comprimentos de onda específicos pelas linhas espectrais de absorção de um determinado gás, podemos calcular a concentração desse gás.
Existem dois métodos principais para medir a umidade com base na espectroscopia de absorção no infravermelho próximo: Espectroscopia de Absorção por Cavidade Ressonante (CRDS) e Espectroscopia de Absorção por Diodo Laser Sintonizável (TDLAS). A espectroscopia de absorção no infravermelho baseia-se no princípio de que a absorção seletiva de comprimentos de onda específicos do infravermelho por moléculas de vapor de água varia com sua concentração. No entanto, desde que Fowle propôs a medição de umidade por infravermelho em 1912, o progresso nessa área tem sido lento devido às limitações das técnicas tradicionais de absorção no infravermelho (absorção de banda larga). O rápido desenvolvimento da tecnologia de espectroscopia a laser semicondutor (TDLAS) na década de 1990 facilitou o surgimento dos atuais analisadores de umidade de gases de combustão de alta temperatura online. Comparada à espectroscopia de absorção no infravermelho tradicional, a TDLAS emprega absorção de banda estreita, visto que a largura espectral da fonte de laser semicondutor (inferior a 0,0001 nm) é muito menor que o alargamento das linhas de absorção do gás.
Cada molécula de gás possui seu próprio espectro de absorção inerente. A absorção ocorre quando o espectro de emissão da fonte de luz coincide com o espectro de absorção das moléculas do gás, e a intensidade da absorção está correlacionada com a fração volumétrica do gás. Quando um feixe de laser semicondutor com intensidade I₀ atravessa o gás a ser medido, a luz é atenuada ao passar pelo gás se o espectro da fonte de luz cobrir o espectro de absorção das moléculas do gás. De acordo com a lei de Lambert-Beer, a relação entre a intensidade da luz emitida I, a intensidade da luz incidente I₀ e a concentração volumétrica do gás é expressa da seguinte forma:
Na fórmula:
I0: Intensidade luminosa inicial;
I: Intensidade luminosa residual após absorção pelo vapor de água (H2O) na amostra gasosa;
S: Coeficiente de absorção da água (H2O) para um laser em um comprimento de onda específico;
L: Comprimento do percurso óptico;
N: Quantidade de moléculas de vapor de água ao longo do percurso óptico, correlacionada com o teor de vapor de água no gás da amostra.
Portanto, o teor de água na amostra de gás pode ser determinado medindo-se a intensidade luminosa inicial e a intensidade luminosa após a absorção. Devido ao comprimento de onda específico do laser selecionado, os resultados da medição são praticamente imunes à presença de outros gases. Além disso, o cálculo utilizando a razão I/I0 elimina eficazmente as influências causadas por variações na intensidade da fonte de luz, na refletividade do espelho e nos parâmetros elétricos.
Para alcançar maior sensibilidade de detecção ou aprimorá-la, e para reduzir o ruído 1/f do laser, a tecnologia TDLAS geralmente requer o uso de detecção espectral modulada. Essa técnica reduz significativamente o impacto do ruído do laser nas medições por meio da modulação de alta frequência. Ao mesmo tempo, ao definir uma constante de tempo grande para o detector sensível à fase usado na detecção por sensibilidade à fase (que detecta componentes harmônicos), um filtro passa-banda muito estreito pode ser obtido, comprimindo efetivamente a largura de banda do ruído. Os analisadores de umidade e temperatura de gases de combustão desenvolvidos com a tecnologia TDLAS realizam medições sem contato, eliminando o envenenamento do sensor e a interferência de gases de fundo. Eles apresentam tempo de resposta rápido, alta precisão de medição, longo ciclo de calibração e operação praticamente livre de manutenção, sendo sua principal desvantagem o alto custo. No entanto, ao usar o método de absorção infravermelha para medição de umidade em gases de combustão, é necessário evitar a interferência de comprimentos de onda sensíveis a CO2/SO2/NOx, o que apresenta certos desafios. Aliado ao alto custo do instrumento, esse método é atualmente pouco utilizado para medição de umidade em gases de combustão.
Uma comparação de vários princípios
| Itens de comparação | Método de Jateamento de Fluxo Constante | Fluxo de íons de célula dupla | Método da zircônia | Método de resistência-capacitância | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Faixa de medição | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Tempo de resposta | T90＜90S (10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Mostrar | Temperatura do ponto de orvalho: 20～100℃ | Concentração de oxigênio: 0–100% | Proporção de volume (H2O): 0–100% | Umidade relativa (UR%) | Umidade relativa (UR%) |
| Proporção de volume: 2 a 100% | Proporção de volume (H2O): 0–100% | Proporção de volume 0–100% | Proporção de volume 0–100% | ||
| Umidade absoluta: 15 a 1000 g/kg | |||||
| Pressão de vapor de água: 10～1000 hPa | |||||
| Valor exibido | Valor absoluto | Valor absoluto | Valor absoluto | Valor relativo | Valor relativo |
| Temperatura | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Precisão | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Resistência química | Resistente | Resistente | Moderado | Não resistente | Resistente |
| Aplicabilidade | Qualquer mistura de gases | gases de combustão, misturas gasosas em geral | Misturas de ar e vapor de água | gases de combustão, misturas gasosas em geral | gases de combustão, misturas gasosas em geral |
| Método de medição | Amostragem contínua | Amostragem in situ/contínua | In situ | Amostragem in situ/contínua | Amostragem in situ/contínua |
| Vida útil | 10 anos | 1–2 anos | 1–2 anos | 0,6 a 2 anos | ≥2 anos |
| Calibração | Não requer calibração, sem deriva. | Necessário (calibração de oxigênio) | Necessário (calibração de oxigênio) | Calibração no local não disponível (requer um gerador de umidade profissional). | Calibração no local não disponível (requer um gerador de umidade profissional). |
