Применение технологии онлайн-мониторинга влажности дымовых газов -2
Ионный поток (диоксид циркония)
На основе углубленных теоретических исследований и многочисленных экспериментов подтверждено, что датчики ионного потока способны точно измерять влажность. Измерение влажности осуществляется путем регулирования напряжения, подаваемого на катод и анод датчика. Это открытие решает проблему, связанную с тем, что обычные датчики влажности не могут эффективно работать в условиях высоких температур (например, выше 100 °C).
Платиновые электроды нанесены с обеих сторон стабилизированного ZrO2. Катодная сторона соединена с крышкой, снабженной газодиффузионными отверстиями, образуя катодную полость. При определенной температуре между анодом и катодом ZrO2 прикладывается определенное рабочее напряжение, после чего молекулы кислорода внутри полости получают электроны на катоде, образуя ионы кислорода (O2-). Ионы O2- мигрируют к аноду через кислородные вакансии в ZrO2, высвобождают электроны и превращаются в молекулы кислорода, которые высвобождаются наружу. Это явление известно как электрохимический насос. Таким образом, кислород в катодной полости непрерывно выкачивается из полости электролитом ZrO2, а ионы кислорода текут от катода через ZrO2 к аноду, образуя кислородно-ионный ток. Когда концентрация кислорода в измеряемой атмосфере постоянна, выходной ток датчика на основе диоксида циркония больше не увеличивается с увеличением приложенного напряжения, а вместо этого достигает постоянного значения. Это постоянное значение тока называется предельным значением тока для данной концентрации кислорода, которое мы называем первым предельным значением тока (как показано на рисунке 1-А). Исходя из этого принципа работы, когда измеряемая атмосфера содержит водяной пар, увеличение приложенного рабочего напряжения приводит к ионизации водяного пара в ионы кислорода. Аналогично, когда концентрация водяного пара в измеряемой атмосфере постоянна, датчик на основе диоксида циркония выдает постоянное значение тока, которое называется вторым предельным значением тока (как показано на рисунке 1-В). Значение тока первой ступени I1 и значение тока второй ступени I2 соответственно пропорциональны парциальному давлению кислорода и парциальному давлению кислорода в атмосфере, содержащей водяной пар.
Реакции на катоде и аноде датчика протекают следующим образом:
Рисунок (2) Принцип потока ионов
В соответствии с законом Фика, ограничивающим диффузионные отверстия газа в датчике, и предполагая, что коэффициент диффузии кислорода равен коэффициенту диффузии водяного пара, первый предельный ток I1 и второй предельный ток I2 выражаются соответственно следующими формулами:
В формуле:
F — постоянная Фарадея, S — площадь диффузионных отверстий.
D — коэффициент диффузии молекул смешанного газа, P — полное давление газовой смеси.
PO2 — парциальное давление кислорода, PH2O — парциальное давление водяного пара.
R — газовая постоянная, T — абсолютная температура.
L — длина диффузионных отверстий газа, 0,21 — содержание кислорода в воздухе.
На рисунке (3) показана зависимость значения ионного предельного тока от концентрации кислорода:
Содержание кислорода в дымовых газах можно рассчитать на основе первого предельного тока, а влажность в дымовых газах — на основе разницы между вторым и первым предельными токами. Поэтому гигрометры, использующие принцип предельного тока на основе диоксида циркония, имеют явное преимущество перед гигрометрами, использующими другие принципы. Поскольку их основная функция — обнаружение кислорода, а измерение кислорода является необходимым условием для измерения влажности, пользователям не нужно устанавливать отдельный анализатор кислорода. Один гигрометр может одновременно предоставлять оба набора данных измерений.
>> Всасывающий 3D-анализатор влажности с ионным потоком
В Китае несколько компаний производят высокотемпературные анализаторы влажности вакуумного типа. В качестве примера здесь представлена продукция компании Chang Ai.
Для решения проблемы воздействия коррозионных сред на электроды датчиков Чан Ай усовершенствовал каталитические электродные материалы из диоксида циркония и платины и применил новый электролитный материал с помощью технологии нанохимического синтеза. Этот метод решает проблему коррозии электродов и сокращения срока службы в дымовых газах с высоким содержанием SO2, образующихся на мусоросжигательных заводах, при обжиге руды, на керамических заводах и электростанциях. Кроме того, опираясь на концепцию датчиков с ограничивающим током, Чан Ай совершил смелое нововведение, разместив два кислородных датчика на одном чипе, полностью решив проблему невозможности одновременного измерения динамического кислорода и электролитического влажного кислорода одним кислородным датчиком.
В устройстве для измерения 3D-ионного потока используется двухканальный датчик ионного потока. Один датчик измеряет содержание водяного пара и кислорода, а другой — содержание чистого кислорода. Путем приложения различных напряжений для ионизации ионов кислорода и их смешивания с водяным паром можно получить содержание ионов кислорода и водяного пара посредством измерения тока. Благодаря высокой термостойкости и устойчивости к загрязнению, этот датчик может стабильно работать в агрессивных газовых средах. Принцип его работы и структура показаны на рисунке 4.
Рисунок (4) Структура датчика влажности ионного потока
Анализатор влажности CI-PC196 3D с ионным потоком состоит из высокотемпературного пробоотборного зонда и блока управления прибором (как показано на рисунке 5). Блок управления поддерживает функции автоматической обратной промывки и автоматической калибровки. Зонд оснащен функцией обогрева для предотвращения образования конденсата внутри него, а на его конце установлен фильтр из спеченной нержавеющей стали или керамики.
Рисунок (5) CI-PC196 Высокотемпературный гигрометр
Зонд включает в себя первичный фильтр, вставленный в дымоход, пробоотборную трубку, блок продувки и датчик, расположенный на стороне дымохода, предназначенной для нормальной температуры. Высокотемпературные дымовые газы отводятся из дымохода с помощью эжекторного насоса, приводимого в действие сжатым воздухом. Дымовые газы поступают через входное отверстие датчика и выходят через выходное отверстие для воздуха. Путем регулирования давления и расхода сжатого воздуха можно регулировать расход всасываемого газа. Зонд представляет собой кислородный датчик токового типа, принцип работы которого отличается от принципа работы датчиков концентрации на основе диоксида циркония с прямым введением. В условиях высоких температур материал диоксида циркония (ZrO2) становится проводящим за счет миграции ионов кислорода. Когда температура превышает 650 °C, ионы кислорода мигрируют; по мере увеличения концентрации кислорода ток увеличивается пропорционально увеличению потока ионов.
По сравнению с традиционными полимерными, электролитными и керамическими датчиками влажности, этот прибор полностью отличается по конструкции, методам тестирования и принципам работы, предлагая тем самым значительные преимущества: он обладает превосходной термостойкостью и коррозионной стойкостью (датчик работает при температуре выше 600 °C), что позволяет использовать его в высокотемпературных средах выше 200 °C. Он измеряет содержание влаги в зависимости от количества разложения водяного пара под действием напряжения разложения, обеспечивая тем самым превосходную селективность. Кроме того, этот принцип позволяет синхронно измерять влажность и выдавать концентрацию кислорода. Он широко используется в природоохранной, полиграфической и красильной, деревообрабатывающей, строительной, бумажной, химической, волоконной и фармацевтической промышленности, а также в пищевой, табачной, овощной и зерновой отраслях.
>> Метод влажного и сухого кислорода
При использовании кислородных датчиков, установленных в системе CEMS, для измерения содержания кислорода в дымовых газах до и после осушения и расчета влажности дымовых газов, влажность дымовых газов рассчитывается по следующей формуле:
В формуле (1) X´O2 представляет собой объемную долю кислорода во влажном дымовом газе, %, а Xo2 представляет собой объемную долю кислорода в сухом дымовом газе, %.
Например: если концентрация влажных дымовых газов составляет 6,8% O2, а показания сухих дымовых газов после осушения — 7,4% O2, пусть Xsw обозначает содержание влаги в дымовых газах, тогда
Основная проблема метода измерения сухого и влажного кислорода заключается в том, что для измерения сухого и влажного кислорода требуется два прибора. В результате возникают ошибки, связанные с несовпадением точек отбора проб, а также наложение ошибок, возникающих из-за дрейфа измерений в самих двух приборах. Эти ошибки трудно преодолеть с помощью данного метода.
Инфракрасная спектроскопия
В природе каждый газ поглощает свет определенных длин волн. Когда пучок белого света (содержащий все составляющие длины волн) проходит через газ, выходящий свет ослабевает или в нем отсутствуют эти специфические составляющие длины волн. В спектроскопии состав вещества можно определить по спектральным линиям поглощения газа. Анализируя степень поглощения света на определенных длинах волн с помощью определенных спектральных линий поглощения конкретного газа, мы можем рассчитать концентрацию этого газа.
Существует два основных метода измерения влажности, основанных на спектроскопии поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне: спектроскопия с резонаторным затуханием (CRDS) и спектроскопия поглощения с помощью перестраиваемого лазерного диода (TDLAS). Инфракрасная спектроскопия поглощения основана на принципе, согласно которому селективное поглощение определенных инфракрасных длин волн молекулами водяного пара изменяется в зависимости от их концентрации. Однако с тех пор, как Фаул впервые предложил измерение влажности в инфракрасном диапазоне в 1912 году, прогресс в измерении влажности был медленным из-за ограничений традиционных методов инфракрасной спектроскопии поглощения (широкополосное поглощение). Быстрое развитие технологии полупроводниковой лазерной спектроскопии (TDLAS) в 1990-х годах способствовало появлению современных высокотемпературных анализаторов влажности дымовых газов, работающих в режиме онлайн. По сравнению с традиционной спектроскопией поглощения в инфракрасном диапазоне, TDLAS использует узкополосное поглощение, поскольку ширина спектра полупроводникового лазерного источника (менее 0,0001 нм) намного меньше, чем уширение линий поглощения газа.
Каждая молекула газа имеет свой собственный спектр поглощения. Поглощение происходит, когда спектр излучения источника света совпадает со спектром поглощения молекул газа, а интенсивность поглощения коррелирует с объемной долей газа. Когда луч полупроводникового лазера с интенсивностью I0 проходит через измеряемый газ, свет ослабляется по мере прохождения через газ, если спектр источника света совпадает со спектром поглощения молекул газа. Согласно закону Ламберта-Бера, соотношение между интенсивностью исходящего света I, интенсивностью падающего света I0 и объемной концентрацией газа выражается следующим образом:
В формуле:
I0: Начальная интенсивность света;
I: Остаточная интенсивность света после поглощения водяным паром (H2O) в образце газа;
S: Коэффициент поглощения воды (H2O) лазером на определенной длине волны;
L: Длина оптического пути;
N: Количество молекул водяного пара вдоль оптического пути, коррелирующее с содержанием водяного пара в образце газа.
Таким образом, содержание воды в газовом образце можно определить, измерив начальную интенсивность света и интенсивность света после поглощения. Поскольку выбранная длина волны лазера является специфической, результаты измерений практически не зависят от других газов. Кроме того, расчет с использованием отношения I/I0 позволяет эффективно исключить влияние изменений интенсивности источника света, отражательной способности зеркала и электрических параметров.
Для достижения более высокой или улучшенной чувствительности обнаружения, а также для снижения шума 1/f лазера, технология TDLAS обычно требует использования модулированного спектрального детектирования. Этот метод значительно снижает влияние шума лазера на измерения за счет высокочастотной модуляции. В то же время, устанавливая большую постоянную времени для фазочувствительного детектора, используемого в фазочувствительном детектировании (который обнаруживает гармонические составляющие), можно получить очень узкий полосовой фильтр, тем самым эффективно сжимая полосу пропускания шума. Высокотемпературные анализаторы влажности дымовых газов, разработанные с использованием технологии TDLAS, выполняют бесконтактные измерения при измерении дымовых газов, исключая отравление датчика и помехи от фоновых газов. Они отличаются быстрым временем отклика, высокой точностью измерений, длительным циклом калибровки и практически не требуют технического обслуживания, однако их основным недостатком является высокая стоимость. Однако при использовании метода инфракрасного поглощения для измерения влажности дымовых газов необходимо избегать помех от длин волн, чувствительных к CO2/SO2/NOX, что представляет определенные трудности. В сочетании с высокой стоимостью прибора этот метод в настоящее время редко используется для измерения влажности дымовых газов.
Сравнение различных принципов
| Сравнительные элементы | Метод струйного распыления с постоянным потоком | Двухячеечный ионный поток | Метод диоксида циркония | Метод сопротивления-емкости | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Диапазон измерений | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Время отклика | T90＜90S (10～190 г/кг) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Отображать | Температура точки росы: 20–100℃ | Концентрация кислорода: 0–100% | Объемное соотношение (H2O): 0–100% | Относительная влажность (RH%) | Относительная влажность (RH%) |
| Объемное соотношение: 2–100% | Объемное соотношение (H2O): 0–100% | Объемное соотношение 0–100% | Объемное соотношение 0–100% | ||
| Абсолютная влажность: 15–1000 г/кг | |||||
| Давление водяного пара: 10–1000 гПа | |||||
| Отображаемое значение | Абсолютное значение | Абсолютное значение | Абсолютное значение | Относительная стоимость | Относительная стоимость |
| Температура | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Точность | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Химическая стойкость | Устойчивый | Устойчивый | Умеренный | Неустойчивый | Устойчивый |
| Применимость | Любая газовая смесь | Дымовые газы, общие газовые смеси | Смеси воздуха и водяного пара | Дымовые газы, общие газовые смеси | Дымовые газы, общие газовые смеси |
| Метод измерения | Непрерывная выборка | Отбор проб на месте/непрерывный отбор проб | На месте | Отбор проб на месте/непрерывный отбор проб | Отбор проб на месте/непрерывный отбор проб |
| Служба жизни | 10 лет | 1–2 года | 1–2 года | 0,6–2 года | ≥2 лет |
| Калибровка | Калибровка не требуется, дрейф отсутствует. | Требуется (калибровка кислорода) | Требуется (калибровка кислорода) | Выездная калибровка недоступна (требуется профессиональный генератор влажности). | Выездная калибровка недоступна (требуется профессиональный генератор влажности). |
