Применение технологии онлайн-мониторинга влажности дымовых газов
Технология датчиков на основе топливных элементов
Выбросы дымовых газов от различных горелок, промышленных и коммерческих котлов вызывают серьезное загрязнение атмосферы. Мониторинг токсичных и вредных газов в дымовых газах является важным аспектом усилий по защите окружающей среды. Для решения этой проблемы были разработаны системы непрерывного мониторинга выбросов (CEMS), которые, как правило, количественно определяют загрязняющие вещества в дымовых газах на основе их сухости. Тем не менее, промышленные дымовые газы не являются идеально сухими и всегда содержат определенное количество влаги. Поэтому влажность дымовых газов стала важным параметром измерения при мониторинге источников загрязнения дымовыми газами, и точность ее измерения напрямую влияет на расчет общего объема выбросов и концентраций загрязняющих веществ, а также на оценку эффективности систем очистки дымовых газов.
Кроме того, калибровка влажности также представляет собой значительную проблему. Это связано со сложностью производства высокотемпературных генераторов влажности, что влияет на прослеживаемость значений измерений с помощью онлайн-измерителей влажности. Для проверки и калибровки гигрометров дымовых газов необходимо иметь устройства, способные генерировать стандартные источники влажности, а также эталонные значения и стандарты влажности. В качестве эталонных значений влажности могут использоваться методы измерения абсолютной влажности, а также газы с известным уровнем влажности. Стандарт «Определение твердых частиц и методы отбора проб газообразных загрязняющих веществ, выбрасываемых из отходящих газов стационарного источника» (GB/T 16157-1996) определяет три метода измерения влажности дымовых газов: метод влажного сухого термометра, метод конденсации и гравиметрический метод. Эти три метода, служащие эталонными методами для определения влажности дымовых газов, могут быть использованы для калибровки гигрометров дымовых газов. Кроме того, генераторы влажности могут производить постоянный уровень влажности газа при определенных условиях температуры и давления и также могут использоваться для калибровки гигрометров дымовых газов. В связи с развитием технологий и растущим вниманием страны к охране окружающей среды, в настоящее время в Китае существует четыре основных метода онлайн-измерения влажности высокотемпературных дымовых газов: метод постоянного потока (метод влажного сухого термометра), резистивно-емкостной метод, метод ионного потока на основе диоксида циркония (метод предельного тока) и метод инфракрасного спектрального поглощения.
Введение в методы измерения влажности дымовых газов
>> Метод влажного сухого термометра
Метод влажного и сухого термометра измеряет относительную влажность воздуха на основе разницы температур влажного и сухого термометров. Молекулы воды испаряются с поверхности влажного термометра, превращаясь в водяной пар, который должен поглощать скрытую теплоту испарения. Непрерывное испарение продолжает поглощать тепло с поверхности и охлаждать влажный термометр. Степень охлаждения определяется относительной влажностью окружающего воздуха, атмосферным давлением и скоростью ветра. Если атмосферное давление и скорость ветра остаются постоянными, то чем выше относительная влажность, тем ниже скорость испарения воды с поверхности влажного термометра и тем меньше температура поверхности влажного термометра, которая представляет собой разницу между температурой влажного и сухого термометра; наоборот, тем больше разница между температурами влажного и сухого термометров. Соответственно, измеряя разницу между температурами влажного и сухого термометров и определяя зависимость относительной влажности от этой разницы температур, можно рассчитать относительную влажность.2,3
>> Принцип измерения влажности методом сухого и влажного термометра
Согласно принципам тепло- и влагопереноса, когда достигается тепловое и влажностное равновесие, количество теплоты Q1 от воздуха к влажному термометру равно скрытой теплоте Q2, необходимой для испарения влаги с марли, то есть: Q1 = Q2 (1)
На основе принципа теплопередачи: Q1=α（t-tw）F (2)
В формуле: α — коэффициент теплообмена между воздухом и поверхностью воды по влажному термометру, Вт/м²·°C; t — температура сухого термометра, °C; tw — температура влажного термометра, °C; F — площадь поверхности влажного термометра, м².
Согласно принципу переноса влаги и закону испарения Дальтона, масса испарившейся воды прямо пропорциональна дефициту насыщенности пара окружающего воздуха и площади испарения и обратно пропорциональна атмосферному давлению в данный момент времени. Следовательно, скорость обмена влаги[4] может быть выражена следующим образом:
В формуле: W — скорость обмена влаги, кг/с; r — скрытая теплота испарения, Дж/кг; β — коэффициент обмена влаги, кг/(м²·с·Па); F — площадь поверхности влажного термометра, м²; B — фактическое атмосферное давление, Па; P´q,b — парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре влажного термометра, Па; Pq — парциальное давление водяного пара в воздухе, Па.
Выведено из формул (1), (2) и (3):
В формуле: коэффициент психрометра
Следовательно, относительная влажность составляет:
Метод измерения влажности по сухому и влажному термометру, используемый для мониторинга дымовых газов от источников загрязнения, обычно предполагает применение двух идентичных термопар в качестве чувствительных элементов: одна для измерения температуры сухого термометра, другая — температуры влажного термометра. Чувствительный элемент для измерения температуры сухого термометра располагается в основном потоке дымовых газов, а чувствительный элемент для измерения температуры влажного термометра обернут хлопчатобумажной марлей и соединен с емкостью для воды. Влажный термометр и окружающие дымовые газы рассматриваются как единая система, без учета теплопроводности излучения. Автоматическое устройство для измерения влажности, основанное на принципе сухого и влажного термометра, использует микропроцессор для управления датчиками, которые измеряют и собирают такие параметры, как температура поверхности влажного и сухого термометров, а также давление на поверхности влажного термометра и статическое давление выхлопных газов. Оно вычисляет давление насыщенного водяного пара при температуре поверхности влажного термометра и, в сочетании с входным атмосферным давлением, автоматически рассчитывает влажность дымовых газов по формуле.
1-Грызун;
2. Сухой термометр;
3. Влажный термометр;
4. Изолированная трубка для отбора проб;
5-Вакуумный манометр;
6-ротаметр;
7. Воздушный всасывающий насос
>> Метод струйной подачи с постоянным потоком
Метод струйного распыления с постоянным потоком (по сухому термометру). Основной принцип измерения влажности по сухому термометру: датчик температуры (5) измеряет температуру дымовых газов как температуру сухого термометра, а измерительная ячейка (3) заполняется определенным количеством воды. Вода из резервуара (1) непрерывно подается в измерительную ячейку с помощью шлангового насоса (2). Уровень воды в измерительной ячейке контролируется датчиком, а давление внутри ячейки также определяется датчиком для обеспечения точности измерения и контроля жидкости. Датчик температуры (6) установлен внутри измерительной ячейки и должен быть расположен ниже поверхности воды. Затем дымовые газы непрерывно распыляются с постоянным расходом непосредственно над поверхностью воды в измерительной ячейке, а измеренная температура принимается за температуру сухого термометра (см. рис. 2). На основе принципов теплопередачи и термодинамики можно вывести следующую математическую формулу:
В формуле
U — относительная влажность %;
etw — давление насыщенного водяного пара при температуре влажного термометра;
et — давление насыщенного водяного пара при температуре сухого термометра;
P — атмосферное давление;
∆t — разница температур между сухим и влажным термометром;
А — Постоянная, зависящая от скорости ветра.
Высокотемпературный гигрометр с постоянным потоком струи Чан Ая
Гигрометр CI-PC39 компании Chang Ai успешно применяется в процессах измерения высоких температур и высокой влажности, а также в процессах, связанных с коррозионно-активными и пылесодержащими газами. Во многих промышленных процессах необходимо контролировать влажность технологических газов для обеспечения качества продукции, оптимизации энергоэффективности или достижения целевых показателей по сокращению выбросов. CI-PC39 — это технологический гигрометр, разработанный для самых строгих требований промышленного применения, включая измерение влажности в агрессивных средах с коррозионной стойкостью (таких как мусоросжигательные заводы, серная кислота, плавиковая кислота или царская вода). Он отличается точными и надежными данными измерений, широким диапазоном температурной адаптации, низкими затратами на техническое обслуживание и длительным сроком службы. К недостаткам относятся высокая цена, большие размеры и необходимость регулярного пополнения запасов воды.
На основе приведенной выше математической формулы мы можем ясно видеть, что метод измерения влажности дымовых газов с помощью струйного распыления постоянного тока достигается путем косвенного измерения температуры дымовых газов. Его типичный продукт показан на рисунке (3).
Технология измерения температуры достаточно зрелая и надежная. Даже в экстремально жестких условиях эксплуатации замена датчиков температуры на месте может быть легко произведена. Хотя принцип работы влажно-сухого термометра основан на методе струйного распыления с постоянным потоком, он отличается от гигрометров, обычно используемых метеорологическими службами для измерения относительной влажности воздуха. Данный гигрометр достиг вышеупомянутых результатов измерений благодаря совершенно новой — даже революционной — инновационной конструкции.
Метод конденсации
Принцип метода конденсации заключается в следующем: определённый объём отработанных газов отводится из дымохода и проходит через конденсатор. Содержание влаги в отработанных газах рассчитывается путём суммирования количества сконденсированной воды и количества водяного пара, содержащегося в насыщенном газе, выходящем из конденсатора.
● Конденсатор, см. рисунок (1)
● Устройство для отбора проб дымовой пыли: оно состоит из пробоотборника дымовой пыли (способного измерять tr, tv, Pr, Qrw, устанавливать время срабатывания n и использовать функцию осушения газа), пробоотборной трубки и воздушного насоса.
>> Процедуры обнаружения
● Подсоедините конденсатор к трубе с холодной водой или поместите его непосредственно в ледяную воду, затем подключите всю систему, как показано на рисунке 2, и проверьте всю систему на наличие утечек газа;
● Метод проверки на утечки газа: заблокируйте резиновую трубку между пробоотборной трубкой и конденсатором, затем запустите воздушный насос. Когда отрицательное давление, отображаемое манометром перед расходомером, достигнет 6,6 кПа (50 мм рт. ст.), загерметизируйте резиновую трубку между расходомером и воздушным насосом и прекратите откачку. Если показания манометра не упадут более чем на 0,2 кПа (1,5 мм рт. ст.) в течение 1 минуты, система герметична.
Рисунок (2) Система измерения и отбора проб влажности
Расчет
Объемная доля водяного пара в дымовых газах рассчитывается по следующей формуле:
В формуле:
Количество воды, сконденсированной в конденсаторе, г;
Объем отбираемой пробы дымовых газов (при условиях измерения), л;
Давление насыщенного пара газа после прохождения через конденсатор, Па; это значение можно получить из прилагаемой таблицы по температуре насыщения tv газа на выходе из конденсатора;
Газовая постоянная водяного пара
В формуле Vs представляет собой фактический расход газа в условиях измерения. При использовании ротаметра для измерения объема отбираемого газа показания ротаметра Qrw во время отбора пробы корректируются до фактического расхода Qr в условиях измерения, а затем умножаются на время отбора проб для получения объема отбираемого газа Vs в условиях измерения, то есть,
