Влажность дымовых газов при наличии стационарного источника загрязнения

В традиционном мониторинге выбросов дымовых газов важным параметром является влажность дымовых газов, которая, к тому же, является наиболее сложной для точного измерения. На само измерение влажности влияют другие факторы (атмосферное давление, температура), а измерение влажности дымовых газов также сопряжено с проблемами, связанными с высокими температурами, высокой запыленностью, высокой влажностью, отрицательным давлением и коррозией.

Кроме того, калибровка влажности представляет собой сложную задачу. Причина заключается в сложности изготовления высокотемпературных генераторов влажности, что влияет на точность измерения влажности с помощью онлайн-измерительного прибора. Для проверки и калибровки прибора для измерения влажности дымовых газов необходимо устройство, способное генерировать стандартный источник влажности и эталон влажности. В качестве эталона влажности можно использовать метод измерения влажности, позволяющий проводить абсолютное измерение влажности. Газы с известной влажностью также могут использоваться в качестве эталонов влажности. Стандарт «Метод отбора проб твердых и газообразных загрязняющих веществ в отходящих газах стационарных источников загрязнения» (GB/T16157-1996) предписывает три вида методов измерения влажности дымовых газов: метод конденсации, весовой метод и метод сухого-влажного шарика, которые используются в качестве эталонных методов измерения влажности дымовых газов и могут применяться для калибровки прибора для измерения влажности дымовых газов. Кроме того, генератор влажности, генерирующий постоянную влажность при определенной температуре и давлении, также может использоваться для калибровки измерителя влажности дымовых газов.

1. Введение в метод измерения влажности дымовых газов

метод сухого-влажного мяча

Три метода определения влажности, описанные в стандарте GB/T16157-1996, не являются идеальными для практического применения. Метод измерения веса и метод конденсации сложны, требуют сложных условий и длительного времени проведения испытаний. Метод сухого-влажного шарика прост, но имеет большую погрешность.

Основная проблема измерения влажности дымовых газов методом сухого-влажного шара заключается в том, что температура дымовых газов высока, часто превышает 100 °C, но температура сухого шара не может достичь фактической температуры дымовых газов.

Температура обычно находится в диапазоне между температурой окружающей среды и температурой дымовых газов, что приводит к постоянной погрешности измерения. Цзун Ниншэн считает, что при измерении влажности дымовых газов методом сухого-влажного шарика следует учитывать следующие моменты: когда индикатор температуры стабилизируется и перестает повышаться, можно производить измерения (5-10 мин). Соединительная трубка между пробоотборной трубой и сухим-влажным термометром должна быть короткой, а стенки трубы не должны быть тонкими, чтобы предотвратить чрезмерное падение температуры дымовых газов. В холодном климате следует использовать нагреваемые пробоотборные трубки.

Чан-Ай усовершенствовал термометр в виде сухого и влажного шара, а также нагреваемую трубку для отбора проб дымовых газов, чтобы избежать ошибок, связанных с достижением дымовыми газами точки росы и конденсацией пара в трубке для отбора проб.

Рисунок 1CI-PC39 Схема

Согласно фактической температуре дымовых газов в точке измерения, путем изменения температуры нагрева пробоотборной трубки удается избежать разницы между температурой дымовых газов, поступающих в камеру сухого-влажного шара, и температурой дымовых газов в точке отбора проб. Точность и стабильность самодельного сухого-влажного гигрометра были исследованы с использованием стандартного метода сухого-влажного шара и весового метода. Результаты показывают, что данные о влажности, измеренные гигрометром, являются надежными и эффективными, обладают чувствительной реакцией на изменение влажности дымовых газов и могут работать непрерывно и стабильно. Хотя метод ударной струи основан на принципе работы сухого-влажного шара, это не распространенный прибор для измерения относительной влажности воздуха, аналогичный используемым в метеорологических службах. Данный прибор для измерения влажности представляет собой совершенно новую или даже инновационную конструкцию, что позволяет получить вышеуказанные результаты измерений. Его репрезентативное изображение показано на рисунке 1.

Измерительная техника Chang-Ai успешно применяется для измерения параметров высокотемпературных и высоковлажных процессов, а также процессов с коррозионно-активными и пылесодержащими газами. Во многих процессах для обеспечения качества продукции, эффективного использования энергии или достижения цели сокращения выбросов необходимо контролировать и регулировать влажность технологического газа. CI-PC39 — это измеритель технологической влажности, отвечающий самым строгим промышленным требованиям, включая коррозионную стойкость, непрерывную работу и нечувствительность к загрязнению.

метод конденсации

Принцип метода конденсации заключается в том, что определенный объем отработанных газов отбирается из дымохода и проходит через конденсатор, а содержание воды в отработанных газах рассчитывается на основе количества сконденсированной воды и содержания водяного пара в насыщенном газе, отходящем от конденсатора. Принцип весового метода заключается в том, что определенный объем отработанных газов отбирается из дымохода таким образом, чтобы влага в отработанных газах поглощалась влагопоглощающим агентом через заполненную им влагопоглощающую трубку, а масса отработанных газов в влагопоглощающей трубке представляет собой содержание воды в известном объеме отработанных газов. Оба метода схожи по принципу. Массовая концентрация влажности дымовых газов определяется непосредственно путем взвешивания содержания влаги и деления на объем отобранных проб, а затем массовая концентрация переводится в объемные проценты.

Метод сухого-влажного шарика прост в использовании и обладает высокой адаптивностью. Это распространенный эталонный метод онлайн-измерения влажности дымовых газов. Метод конденсации и метод взвешивания обладают более высокой точностью, но требуют больших усилий со стороны персонала, занимают много времени, и не подходят для онлайн-измерения влажности дымовых газов, а могут использоваться только в качестве лабораторного и онлайн-метода для сравнительного анализа.

Метод ингибирования

Когда вещество помещается между парой электродов, емкость между электродами изменяется при поглощении водяного пара. Влажность дымовых газов можно определить, измеряя изменение емкости влагопоглощающего материала; такой датчик называется емкостным датчиком влажности. Традиционные емкостные приборы для измерения влажности имеют ряд проблем, связанных с чувствительностью датчика, гистерезисом влажности, температурным коэффициентом и долговременной стабильностью.

Изобретение относится к запатентованному онлайн- влагомеру для измерения влажности дымовых газов при высоких температурах, устойчивому к объемным воздействиям, представляющему собой усовершенствованный емкостной метод измерения влажности, обладающий хорошей коррозионной стойкостью и высокой чувствительностью. В нем используется емкостной датчик влажности на основе полимерной пленки.

В качестве датчика влажности используется платиновый резистивный температурный датчик для температурной компенсации. Принцип работы показан на рисунке 1: водяной пар проходит через верхний электрод емкостного датчика влажности на основе высокомолекулярной пленки и достигает высокомолекулярной активной полимерной пленки. Благодаря малым размерам датчика и очень тонкой полимерной пленке, датчик быстро реагирует на изменение влажности окружающей среды.

Рисунок 2. Блок-схема принципа работы водомера с резистором и емкостью.

Поглощенный полимером водяной пар изменяет диэлектрические характеристики датчика и значение его емкости, преобразует выходной сигнал емкостного датчика влажности в напряжение и выдает температурный сигнал через датчик температуры для автоматической температурной компенсации. Влагомер может измерять содержание воды в диапазоне 0–20% ± 2% при температуре дыма ≤ 180 °C.

В последние годы было проведено множество исследований по поиску более эффективных влагочувствительных материалов. Среди них особое внимание привлекают органические полимерные материалы благодаря их высокой чувствительности, быстрому отклику и малому гистерезису влажности. Существуют два основных типа влагочувствительных материалов: серия CAB (ацетат бутирата целлюлозы) и серия P (полиимид).

Первоначально емкостной датчик влажности на основе органических полимеров изготавливался из ацетата целлюлозы и его производных. В настоящее время в основном используется ацетат целлюлозы. Японская компания Sakai сравнила свойства различных производных целлюлозы и изучила свойства емкости, температуры и изотермы поглощения. Результаты показывают, что для создания негигроскопичного датчика влажности необходимо ограничить количество воды и исключить взаимодействие между молекулами. Предполагается, что материал из ацетата целлюлозы, особенно элемент, изготовленный из пористого золотого электрода, обладает не только высокой скоростью отклика, но и малым гигроскопическим гистерезисом.

Мацугути предложил синтез низкополимерных материалов с ацетиленовыми группами на обоих концах полиимида. В низкополимерном состоянии раствор используется для растворения, после чего пленка наносится на подложку, образуя пленку, которая после нагревания приобретает стереоструктуру, трудно растворяющуюся в воде. Поскольку материал не отделяется от воды при затвердении, и на затвердевшей пленке трудно образовать микропоры, он является влагочувствительным материалом с хорошей водостойкостью. Результаты показывают, что влагочувствительный элемент модифицированного полиимида обладает высокой скоростью отклика и практически не имеет гистерезиса. Температурный коэффициент мал, устойчивость к растворителям (ацетону) также хороша, и стабильность значительно улучшена.

Чен Синчжу предложил новый тип емкостного композитного диэлектрического пленочного датчика влажности. Его диэлектрическая пленка состоит из двух типов полиимида (CAB), которые имеют разные линейные выходные и температурные характеристики. По сравнению с отдельными материалами PI и CAB, композитный материал обладает малым гистерезисом, малой нелинейной погрешностью и малым температурным коэффициентом, а также демонстрирует заметное улучшение повторяемости и долговременной стабильности. Это дает новую идею для функционального проектирования диэлектрического материала емкостного датчика влажности. Типичный образец показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Профиль датчика точки росы CI-XS200.

Главные преимущества емкостного метода — высокая чувствительность, быстрое реагирование, простота изготовления, легкость миниатюризации и интеграции. В настоящее время в Китае широко применяются онлайн-измерители влажности дымовых газов, однако их долговременная стабильность не идеальна, и в большинстве случаев при длительной эксплуатации наблюдается серьезный дрейф показаний, приводящий к поломкам и повреждениям. Емкостные датчики влажности обладают меньшей коррозионной стойкостью, что часто требует более высоких стандартов чистоты окружающей среды. Некоторые изделия все еще имеют такие проблемы, как сбои, вызванные молнией, и электростатические разряды. В целом, это метод, который постоянно совершенствуется.

Ограничить текущий метод

Согласно углублённому теоретическому исследованию, проведённому в ходе многочисленных экспериментов, использование ионно-потокового датчика позволяет точно измерять влажность. Изменяя напряжение, подаваемое на катод и анод датчика, можно измерять влажность. Это открытие решает проблему, связанную с неспособностью обычных датчиков влажности работать в условиях высоких температур (например, выше 100 °C).

К аноду и катоду диоксида циркония прикладывается рабочее напряжение, создающее электрическое поле, которое перемещает ионы кислорода от катода, образуя кислородный ток через диоксид циркония к аноду. Когда концентрация кислорода в измеряемой атмосфере определена, значение тока датчика на основе диоксида циркония не увеличивается с увеличением приложенного напряжения, достигая постоянного значения. Это постоянное значение тока называется предельным значением тока концентрации кислорода, или первым предельным значением тока. Согласно принципу работы, когда измеряемая атмосфера содержит водяной пар, при увеличении приложенного напряжения водяной пар также ионизируется в ионы кислорода, и когда концентрация водяного пара в измеряемой атмосфере фиксирована, датчик на основе диоксида циркония выдает постоянное значение тока, которое называется вторым предельным значением тока.

Рисунок 4. Зависимость предельного тока от приложенного напряжения.

Рисунок 5. График зависимости предельного выходного тока датчика от водяного пара.

Реакция на катоде и аноде датчика происходит следующим образом:

Катодная сторона: O2+4e- →2O2- (4)

H2O + 2e- → H2 + O2- (5)

Анодная сторона: O2- → 1/2O2+2e- (6)

Согласно правилу Фика для предела диффузии газа, первый предельный ток I1 и второй предельный ток I2 соответственно представляются следующей формулой при условии, что коэффициент диффузии кислорода равен коэффициенту диффузии водяного пара:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

В формуле: F — постоянная Фарадея, D — коэффициент диффузии молекул смешанного газа, S — площадь диффузионной полости, P — полное давление смешанного газа, PO2 — парциальное давление, PH2O — парциальное давление водяного пара, R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, L — длина диффузионной полости газа, 0,21 — содержание кислорода в воздухе.

Область применения измерения влажности с помощью ионного тока:

Компания Chang Ai Co., Ltd. в сотрудничестве с доктором Чжан И Цанем (китайским специалистом, первым внедрившим в Китае датчик циркония с экстремальным током) и его командой, а также Ян Бан Чао, директором Института микроэлектроники и твердых материалов Чэндуского университета электронной науки и техники, стала пионером в применении ионных токовых датчиков для измерения высоких температур и влажности. В 2006 году компания впервые представила высокотемпературный и влажностной прибор GRL-12 на основе ионного потокового датчика (рис. 5), и до начала «Зеленой Олимпиады» 2008 года получила множество применений на коксохимических заводах в провинции Шаньси, а также для мониторинга выбросов тепловых электростанций, что сделало ее отечественным предприятием, в силу своих обязательств и вклада в защиту окружающей среды. За более чем десять лет работы компания Chang'ai разработала большое количество приборов для анализа влажности на основе ионно-потоковых датчиков, таких как датчик влажности серии CI-PC18, монитор влажности почвы CI-PC19, высокотемпературный анализатор влажности серии CI-PC168, система обнаружения влажности для пищевой промышленности CI-PC193, высокотемпературная система анализа влажности серии CI-PC196, описание которых представлено на рисунке 6.

Рисунок 6. Профиль высокотемпературного гигрометра CI-PC18.

Структура датчика:

Рисунок 6. Трехмерная структура датчика влажности с ионным потоком.

Эти продукты широко используются в таких областях, как охрана окружающей среды, полиграфия и крашение, лесозаготовка, строительные материалы, бумажная промышленность, химическая промышленность, текстильная промышленность и фармацевтика, а также в пищевой, табачной, овощной и зерновой промышленности.

Метод сухого-влажного кислорода

Датчик кислорода системы CEMS используется для измерения содержания кислорода до и после осушения дымовых газов. При расчете содержания влаги в дымовых газах влажность рассчитывается по следующей формуле:

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

В формуле (1) X и O2 — объемная доля кислорода во влажном дымовом газе, %, а Xo2 — объемная доля кислорода в сухом дымовом газе, %.

Основная проблема измерения сухого и влажного кислорода заключается в том, что для этого необходимы два прибора. Ошибка, вызванная разницей в точках отбора проб и погрешностями выборки, заключается в следующем: погрешности двух приборов суммируются. Преодолеть эти ошибки с помощью данного метода сложно.

Поглощение инфракрасного излучения

Абсорбционная спектроскопия — важный метод в современных измерениях влажности, включающий инфракрасное и ультрафиолетовое поглощение. В настоящее время технология измерения, основанная на спектре поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне, достигла большей зрелости, ее точность, чувствительность и диапазон измерений превосходят традиционные методы анализа влажности.

Метод инфракрасного поглощения основан на принципе, согласно которому вода сильно поглощает инфракрасный свет определенной длины волны; при различном содержании воды степень поглощения света изменяется, и подчиняется закону Ламберта-Бера. Измеряя коэффициент пропускания газа на длине волны поглощения и эталонной длине волны, можно определить отношение коэффициентов пропускания на этих двух длинах волн как функцию содержания водяного пара в газе. Ван Цзя Жун установил, что наиболее часто используемые длины волн поглощения составляют 1,45 мкм и 1,94 мкм, а наиболее часто используемые эталонные длины волн — 1,73 мкм и 2,1 мкм.

Существует два метода измерения влажности, основанных на спектроскопии поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне: спектроскопия резонансного затухания лазерного диода (CRDS) и спектроскопия поглощения с использованием перестраиваемого лазерного диода (TLDAS). Резонатор CRDS имеет простую конструкцию и малые размеры, что обеспечивает быструю замену газа, поэтому CRDS очень подходит для измерений в режиме реального времени. TDLAS — это относительно зрелая технология измерения спектра поглощения, которая используется в области измерения микровлажности и обладает преимуществами высокой чувствительности и быстрого отклика.

Однако метод инфракрасного поглощения, используемый для измерения влажности дымовых газов, требует исключения влияния чувствительных к CO2/SO2/NOx длин волн, что является сложной задачей, а также сопряжено с высокой стоимостью приборов, поэтому он редко используется для измерения влажности дымовых газов.

Генератор высокой температуры и влажности

Поскольку температура дымовых газов обычно выше и составляет около 80–120 °C, а обычный генератор влажности обеспечивает постоянную влажность при нормальной температуре, даже при высокой температуре сложно гарантировать поддержание постоянной температуры во время эксплуатации. Часто бывает трудно выполнить требования по калибровке высокотемпературного измерителя влажности дымовых газов с помощью генератора влажности, работающего при нормальной температуре, что накладывает серьезные ограничения на исследования и применение высокотемпературных методов измерения влажности. Особенно это касается емкостных датчиков влажности, которые чувствительны не только к влажности окружающей среды, но и к температуре, и легко подвержены температурному дрейфу, поэтому необходимо разработать высокотемпературный генератор влажности.

Генератор влажности при высокой температуре способен обеспечивать стабильную влажность при высоких температурах. Это удобное и интуитивно понятное калибровочное устройство для приборов измерения влажности дымовых газов. Чжан Вэнь Дун разработал комплект высокоточного генератора влажности при высокой температуре, используя принцип метода двойной температуры и двойного давления. Эксперименты по определению температурной стабильности проводились при 50°C, 100°C и 150°C в течение 2 часов. Результаты испытаний температурной стабильности резервуара с сатуратором и испытательной камеры находились в пределах 0,02°C. Максимальная теоретическая погрешность устройства составляет ±1,09 относительной влажности. Точность устройства подтверждена результатами испытаний гигрометром весового метода. Устройство может использоваться для коррекции высокотемпературных датчиков и передатчиков влажности.

2. Резюме

Измерение влажности дымовых газов является признанной проблемой. Метод сухого-влажного шара, используемый в качестве эталонного метода, предусмотренного национальным стандартом, легко приводит к ошибкам. Метод конденсации и метод взвешивания обладают высокой точностью, но сложны в применении и могут использоваться только в лабораторных условиях. В Китае в системах CEMS для онлайн-измерения влажности дымовых газов используются емкостной метод и метод предельного тока. Оба метода относятся к электронным датчикам влажности. Перспективы применения широки, но необходимо улучшить защиту от загрязнения и долговременную стабильность. Однако метод сухого-влажного кислорода имеет большую погрешность, а метод инфракрасного поглощения дорог, поэтому он используется реже. Генераторы влажности при нормальной температуре также с трудом соответствуют требованиям калибровки приборов для измерения влажности дымовых газов. Разработка высокотемпературных генераторов влажности является необходимой и одновременно технической проблемой.