Umidade dos gases de combustão com fonte de poluição fixa

No monitoramento convencional de emissões de gases de combustão, a umidade desses gases é um parâmetro importante, porém também o mais difícil de medir com precisão. A própria medição da umidade é afetada por outros fatores (pressão atmosférica, temperatura), e a medição da umidade dos gases de combustão ainda precisa lidar com problemas como alta temperatura, alta concentração de poeira, alta umidade, pressão negativa e corrosão.

Além disso, a calibração da umidade é um problema complexo. Isso se deve à dificuldade de fabricar geradores de umidade de alta temperatura, o que afeta a medição de umidade em instrumentos de medição online. Para verificar e calibrar o instrumento de umidade dos gases de combustão, é necessário um dispositivo capaz de gerar uma fonte de umidade padrão e um padrão de umidade. Um método de medição de umidade capaz de realizar medições absolutas de umidade pode ser usado como referência. Gases com umidade conhecida também podem ser usados ​​como parâmetros de referência. A norma "Método de Amostragem de Poluentes Particulados e Gasosos nos Gases de Exaustão de Fontes Fixas de Poluição" (GB/T16157-1996) prescreve três métodos de medição de umidade dos gases de combustão: método de condensação, método de pesagem e método da esfera seca-úmida, que são usados ​​como métodos de referência para medição de umidade dos gases de combustão e podem ser usados ​​para calibrar o instrumento de umidade dos gases de combustão. Além disso, o gerador de umidade gera umidade constante a uma determinada temperatura e pressão, e também pode ser usado para calibrar o medidor de umidade dos gases de combustão.

1. Introdução ao método de medição da umidade dos gases de combustão

Método da bola seca-molhada

Os três métodos de referência de umidade da norma GB/T16157-1996 não são ideais para aplicação prática. O método de pesagem e o método de condensação são complexos, exigem condições de alta umidade e têm um tempo de teste prolongado. O método da esfera seca/úmida é simples, mas apresenta uma margem de erro considerável.

O principal problema da medição da umidade dos gases de combustão pelo método da bola seca-úmida é que a temperatura dos gases de combustão é alta, frequentemente superior a 100°C, mas a temperatura da bola seca não consegue atingir a temperatura real dos gases de combustão.

A temperatura geralmente fica entre a temperatura ambiente e a temperatura dos gases de combustão, resultando em um erro de medição fixo. Zong Ningsheng acredita que, ao medir a umidade dos gases de combustão pelo método da esfera seca-úmida, as seguintes operações devem ser levadas em consideração: Quando o indicador de temperatura estiver estável e não subir mais, as leituras podem ser feitas (5-10 min). O tubo de conexão entre o tubo de amostragem e os termômetros seco e úmido deve ser curto e a parede do tubo não deve ser fina, para evitar que a temperatura dos gases de combustão caia excessivamente. Em climas frios, devem ser usados ​​tubos de amostragem aquecidos.

A Chang-Ai aprimorou o termômetro de esfera seca-úmida e o tubo de amostragem de gases de combustão aquecido para evitar erros decorrentes do ponto de orvalho dos gases de combustão e da condensação de vapor no tubo de amostragem.

Figura 1CI-PC39 Esboço

De acordo com a temperatura real dos gases de combustão no ponto de medição, a variação da temperatura de aquecimento do tubo de amostragem evita a diferença entre a temperatura dos gases de combustão que entram na câmara de esferas secas e úmidas e a temperatura dos gases de combustão no ponto de amostragem. A precisão e a estabilidade do higrômetro de bulbo seco e úmido de fabricação própria foram investigadas utilizando o método padrão de bulbo seco e úmido e o método de pesagem. Os resultados mostram que os dados de umidade medidos pelo higrômetro são confiáveis ​​e eficazes, apresentando uma resposta sensível à variação da umidade dos gases de combustão e podendo operar de forma contínua e estável. Embora o princípio de funcionamento da esfera seca e úmida seja baseado no método de jato de impacto, este instrumento de umidade não é um instrumento comum, similar aos utilizados por órgãos meteorológicos para medir a umidade relativa do ar. Este instrumento de umidade representa um projeto inovador, inédito, que alcançou os resultados de medição descritos. A Figura 1 mostra um produto representativo do dispositivo.

A engenharia de medição da Chang-Ai tem sido aplicada com sucesso em processos de medição de alta temperatura e alta umidade, bem como em processos com gases corrosivos e contendo poeira. Em muitos processos, para garantir a qualidade do produto, o uso eficiente de energia ou atingir a meta de redução de emissões, é necessário monitorar e controlar a umidade do gás de processo. O CI-PC39 é um medidor de umidade de processo que atende aos requisitos industriais mais rigorosos, incluindo resistência à corrosão, operação contínua e insensibilidade à incrustação.

Método de condensação

O princípio do método de condensação consiste em extrair um determinado volume de gás de exaustão da chaminé para passar por um condensador, e o teor de água no gás de exaustão é calculado com base na quantidade de água condensada e no teor de vapor de água do gás saturado descarregado pelo condensador. O princípio do método de pesagem consiste em extrair um determinado volume de gás de exaustão da chaminé para que a umidade presente no gás seja absorvida por um tubo de absorção de umidade preenchido com o agente absorvente, e o peso do gás de exaustão retido no tubo de absorção representa a quantidade de água contida no volume conhecido de gás de exaustão. Os dois métodos são semelhantes em princípio. A concentração mássica de umidade do gás de combustão é obtida diretamente pela pesagem do teor de umidade e pela divisão do volume da amostra, sendo então a concentração mássica convertida em porcentagem volumétrica.

O método da esfera seca-úmida é fácil de operar e possui grande adaptabilidade. É um método de referência comum para medição online da umidade dos gases de combustão. O método de condensação e o método de pesagem têm maior precisão, mas o teste é complexo, exige muita mão de obra, o tempo de teste é longo e não é adequado para a medição online da umidade dos gases de combustão, podendo ser usado apenas como método de laboratório para testes comparativos com o método de medição online.

Método de inibição

Quando uma substância é colocada entre um par de eletrodos, a capacitância entre eles se altera ao absorver vapor de água. O teor de umidade dos gases de combustão pode ser obtido medindo-se a variação da capacitância do material absorvente de umidade, o que é chamado de sensor capacitivo de umidade. Os instrumentos capacitivos de umidade tradicionais apresentam algumas limitações em relação à sensibilidade do sensor, histerese de umidade, coeficiente de temperatura e estabilidade a longo prazo.

A presente invenção refere-se a um medidor de umidade de gases de combustão online, resistente a altas temperaturas e com volume elevado, um produto patenteado que utiliza um método capacitivo aprimorado para medir a umidade, apresentando boa resistência à corrosão e alta sensibilidade. O dispositivo utiliza um sensor de umidade capacitivo de filme polimérico.

Como sensor de umidade, utiliza-se um sensor de temperatura resistivo de platina para compensação de temperatura. O princípio de funcionamento é mostrado na Figura 1: o vapor de água passa pelo eletrodo superior do sensor de umidade capacitivo de filme de alta massa molecular e atinge o filme de polímero ativo de alta massa molecular. Devido ao tamanho reduzido do sensor e à espessura muito fina do filme de polímero, o sensor consegue responder rapidamente às mudanças de umidade do ambiente.

Figura 2. Diagrama de blocos do princípio de funcionamento de um hidrômetro com resistência e capacidade.

O vapor de água absorvido pelo polímero altera as características dielétricas do sensor e o valor da sua capacitância, convertendo o sinal de saída do sensor capacitivo de umidade em um valor de tensão. Este sinal de tensão térmica é então enviado ao sensor de temperatura para realizar a compensação automática de temperatura. O medidor de umidade pode medir o teor de água na faixa de 0 a 20% ± 2% sob temperaturas de fumaça ≤ 180 °C.

Nos últimos anos, muitas pesquisas têm sido realizadas na busca por melhores meios sensores de umidade. Entre eles, os materiais poliméricos orgânicos têm atraído muita atenção devido à sua alta sensibilidade, resposta rápida e pequena histerese de umidade. Existem dois tipos principais de materiais sensíveis à umidade: a série CAB (acetato-butirato de celulose) e a série P (poliimida).

O sensor capacitivo de umidade baseado em polímero orgânico era originalmente feito de acetato de celulose e seus derivados. Atualmente, o acetato de celulose é o material mais utilizado. Sakai, do Japão, comparou as propriedades de diversos derivados de celulose e estudou as propriedades de capacitância, temperatura e isotermas de absorção. Os resultados mostram que, para se obter um sensor de umidade não higroscópico, a quantidade de água deve ser controlada e a interação entre as moléculas não deve ocorrer. Propõe-se que o acetato de celulose, especialmente o elemento composto por eletrodo de ouro poroso, não só apresenta alta velocidade de resposta, como também baixa histerese higroscópica.

Matsuguchi propôs a síntese de polímeros de baixa massa molecular com grupos acetileno em ambas as extremidades da poliimida. No estado de baixa massa molecular, a solução é utilizada para dissolver o polímero, e o filme é depositado sobre o substrato para formar uma película. Após o aquecimento, obtém-se a poliimida com uma estrutura de ligação estéreo, que não se dissolve facilmente em água. Como o material não se separa da água quando solidificado, e é difícil formar microfuros na película endurecida, trata-se de um material sensível à umidade com boa resistência à água. Os resultados mostram que o elemento sensível à umidade da poliimida modificada apresenta alta velocidade de resposta e praticamente nenhuma histerese. O coeficiente de temperatura é baixo, a resistência a solventes (acetona) também é boa e a estabilidade é significativamente melhorada.

Chen Xingzhu propôs um novo tipo de sensor de umidade capacitivo com filme dielétrico composto. Seu filme dielétrico é composto por dois tipos de PI (CAB) que possuem diferentes características de saída linear e de temperatura. Comparado com os materiais PI e CAB isoladamente, o material composto apresenta baixa histerese, pequeno erro não linear e pequeno coeficiente de temperatura, além de melhorias significativas na repetibilidade e na estabilidade a longo prazo. Isso fornece uma nova perspectiva para o projeto funcional de materiais dielétricos para sensores de umidade capacitivos. A Figura 3 mostra uma representação do produto.

Figura 3 Perfil do sensor de ponto de orvalho CI-XS200

As principais vantagens do método capacitivo são a alta sensibilidade, a resposta rápida, a facilidade de fabricação e a facilidade de miniaturização e integração. Atualmente, os instrumentos de medição de umidade em gases de combustão em linha na China têm muitas aplicações, mas a estabilidade a longo prazo não é ideal, e a maioria dos sensores apresenta deriva significativa com o uso prolongado, causando falhas e danos. O sensor capacitivo de umidade tem menor resistência à corrosão, o que geralmente exige maior limpeza do ambiente. Alguns produtos ainda apresentam problemas como falhas por descarga elétrica e falhas eletrostáticas. Em resumo, este é um método que está em constante aprimoramento.

Método de corrente limite

De acordo com um estudo teórico aprofundado, realizado por meio de inúmeros experimentos, o uso de sensores de fluxo iônico permite a medição precisa da umidade. A umidade pode ser medida variando-se a voltagem aplicada ao cátodo e ao ânodo do sensor. Essa descoberta resolve o problema da inadequação dos sensores de umidade comuns para ambientes de alta temperatura (por exemplo, acima de 100 °C).

Uma tensão de operação é aplicada ao ânodo e ao cátodo da zircônia para fornecer um campo elétrico que impulsiona os íons de oxigênio do cátodo, formando uma corrente iônica de oxigênio através da zircônia até o ânodo. Quando a concentração de oxigênio na atmosfera medida é determinada, o valor da corrente do sensor de zircônia não aumenta com o aumento da tensão aplicada, atingindo um valor constante. Esse valor de corrente constante é chamado de valor limite de corrente para a concentração de oxigênio, que denominamos de primeiro valor limite de corrente. De acordo com o princípio de funcionamento, quando a atmosfera medida contém vapor de água, ao aumentar a tensão aplicada, o vapor de água também é ionizado em íons de oxigênio e, quando a concentração de vapor de água na atmosfera medida se estabiliza, o sensor de zircônia emite um valor de corrente constante, que é denominado de segundo valor limite de corrente.

Figura 4. Relação entre corrente limite e tensão aplicada.

Figura 5. Diagrama da curva da corrente limite de saída do sensor sob vapor de água.

A reação no cátodo e no ânodo do sensor é a seguinte:

Lado do cátodo:O2+4e- →2O2- (4)

H2O + 2e- → H2 + O2- (5)

Lado do ânodo: O2- → 1/2O2+2e- (6)

De acordo com a regra de Fick para o limite de difusão de gás do sensor, a primeira corrente limite I1 e a segunda corrente limite I2 são representadas respectivamente pelas seguintes fórmulas, sob a condição de que o coeficiente de difusão do oxigênio seja igual ao coeficiente de difusão do vapor de água:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Na fórmula: F é a constante de Faraday, D é o coeficiente de difusão da molécula da mistura gasosa, S é a área do orifício de difusão, P é a pressão total da mistura gasosa, PO2 é a pressão parcial, PH2O é a pressão parcial do vapor de água, R é a constante dos gases, T é a temperatura absoluta, L é o comprimento do orifício de difusão do gás e 0,21 é o teor de oxigênio no ar.

A faixa de aplicação da medição de umidade por corrente iônica é:

A Chang Ai Co., Ltd., em cooperação com o Dr. Zhang Yi Can (chinês, o primeiro a introduzir o sensor de zircônia do tipo corrente extrema na China) e sua equipe, Yang Bang Chao, diretor do Instituto de Microeletrônica e Materiais Sólidos da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica de Chengdu, foi pioneira na aplicação de sensores de corrente iônica na medição de alta temperatura e umidade. Em 2006, a empresa lançou o instrumento de alta temperatura e umidade GRL-12, baseado em sensor de fluxo iônico (Figura 5), ​​e, antes das Olimpíadas Verdes de 2008, um grande número de aplicações em usinas de coque em Shanxi, monitoramento de emissões de usinas termelétricas, para proteção e monitoramento ambiental, tornou-se uma empresa nacional comprometida com a responsabilidade e a contribuição ambiental. Ao longo de mais de dez anos de desenvolvimento, a Chang'ai Company desenvolveu um grande número de instrumentos de análise de umidade baseados em sensores de fluxo iônico, como o transmissor de umidade da série CI-PC18, o monitor de umidade do solo CI-PC19, o analisador de umidade de alta temperatura da série CI-PC168, o sistema de detecção de umidade para a indústria alimentícia CI-PC193 e o sistema de análise de umidade de alta temperatura da série CI-PC196, cujos produtos são ilustrados na Figura 6.

Figura 6 Perfil do higrômetro de alta temperatura CI-PC18

Estrutura do sensor:

Figura 6. Estrutura do sensor de umidade por fluxo iônico 3D.

Esses produtos são amplamente utilizados nas áreas de proteção ambiental, impressão e tingimento, madeira, materiais de construção, indústria de fabricação de papel, indústria química, fibras e farmacêutica, bem como na indústria de processamento e armazenamento de alimentos, tabaco, vegetais e grãos.

Método de oxigênio seco-úmido

O sensor de oxigênio do sistema CEMS é usado para medir o teor de oxigênio antes e depois da desumidificação dos gases de combustão. Ao calcular o teor de umidade nos gases de combustão, a umidade relativa do ar é calculada de acordo com a seguinte fórmula:

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

Na fórmula (1), X e O2 são as porcentagens volumétricas de oxigênio no gás de combustão úmido, %, e Xo2 é a porcentagem volumétrica de oxigênio no gás de combustão seco, %.

O principal problema da medição de oxigênio seco e úmido é a necessidade de dois instrumentos para cada medição. O erro causado pela diferença nos pontos de amostragem e pelos erros de amostragem resulta na sobreposição dos erros dos dois instrumentos. Esses erros são difíceis de serem superados por este método.

Absorção infravermelha

A espectroscopia de absorção é uma técnica importante na medição moderna de umidade, incluindo a absorção no infravermelho e ultravioleta. Atualmente, a tecnologia de medição baseada no espectro de absorção no infravermelho próximo está mais consolidada, apresentando precisão, sensibilidade e faixa de medição superiores aos métodos tradicionais de análise de umidade.

O método de absorção infravermelha utiliza o princípio de que a água absorve fortemente a luz infravermelha em comprimentos de onda específicos. Conforme o teor de água, o grau de absorção da luz varia, obedecendo à lei de Lambert-Beer. Medindo-se a transmitância do gás no comprimento de onda de absorção e em um comprimento de onda de referência, a razão entre a transmitância dos dois comprimentos de onda é uma função do teor de vapor de água no gás. Wan Jia Rong descobriu que os comprimentos de onda de absorção mais comumente utilizados são 1,45 μm e 1,94 μm, e os comprimentos de onda de referência mais comuns são 1,73 μm e 2,1 μm.

Existem dois tipos de métodos de medição de umidade baseados na espectroscopia de absorção no infravermelho próximo: espectroscopia de atenuação ressonante por diodo laser (CRDS) e espectroscopia de absorção por diodo laser sintonizável (TLDAS). O ressonador CRDS possui estrutura simples e tamanho reduzido, o que garante a rápida troca de gás, tornando-o ideal para medições em linha. A TLDAS é uma tecnologia de medição de espectro de absorção relativamente consolidada, utilizada na área de micromedição de umidade, e apresenta vantagens como alta sensibilidade e resposta rápida.

No entanto, o método de absorção infravermelha usado na medição da umidade dos gases de combustão precisa evitar a interferência de comprimentos de onda sensíveis a CO2/SO2/NOX, o que é difícil, além do alto preço do instrumento, sendo, portanto, raramente utilizado nessa medição.

Gerador de umidade de alta temperatura

Como a temperatura dos gases de combustão é geralmente mais alta, em torno de 80°C a 120°C, enquanto os geradores de umidade comuns geram umidade constante em temperatura ambiente, mesmo que essa umidade constante ocorra em altas temperaturas, é difícil garantir que a temperatura se mantenha constante durante o uso. Frequentemente, é difícil atender aos requisitos ao usar um gerador de umidade de temperatura ambiente para calibrar um medidor de umidade de gases de combustão de alta temperatura, o que impõe grandes restrições à pesquisa e aplicação da medição de umidade em altas temperaturas. Em especial, os sensores de umidade capacitivos são sensíveis à temperatura além da umidade ambiente, e são propensos a apresentar deriva térmica. Portanto, é necessário desenvolver um gerador de umidade específico para altas temperaturas.

O gerador de umidade de alta temperatura pode produzir umidade estável em temperaturas mais elevadas. É um dispositivo de calibração conveniente e intuitivo para instrumentos de medição de umidade em gases de combustão. Zhang Wen Dong desenvolveu um conjunto de gerador de umidade de alta precisão utilizando o princípio do método de dupla temperatura e dupla pressão. Os experimentos de estabilidade térmica foram realizados a 50 °C, 100 °C e 150 °C, com duração de 2 horas. Os resultados dos testes de estabilidade térmica do tanque de óleo saturador e da câmara de teste apresentaram uma variação de até 0,02 °C. A incerteza teórica máxima do dispositivo é de ±1,09 UR. A precisão do dispositivo foi verificada pelos resultados dos testes com um higrômetro de pesagem. O dispositivo pode ser utilizado para a correção de sensores e transmissores de umidade de alta temperatura.

2. Resumo

A medição da umidade dos gases de combustão é um problema reconhecido. O método de esfera seca-úmida, como método de referência estipulado na norma nacional, é propenso a erros. Os métodos de condensação e de pesagem apresentam alta precisão, porém são complexos de operar e só podem ser utilizados em laboratório. Os métodos de medição online da umidade dos gases de combustão utilizados em sistemas CEMS na China são o método capacitivo e o método de corrente limite. Ambos os métodos pertencem à categoria de sensores eletrônicos de umidade. O potencial de aplicação é amplo, mas a resistência à poluição e a estabilidade a longo prazo precisam ser aprimoradas. Contudo, o método de oxigênio seco-úmido apresenta um erro considerável, e o método de absorção infravermelha é caro, o que limita seu uso. Além disso, os geradores de umidade em temperatura ambiente não atendem aos requisitos de calibração dos instrumentos de medição de umidade dos gases de combustão. O desenvolvimento de geradores de alta temperatura e umidade é necessário e representa um desafio técnico.