Baca Gazı Neminin (Nem Oranının) Çevrimiçi İzlenmesi Teknolojisinin Uygulamaları
Yakıt Hücresi Sensör Teknolojisi
Çeşitli brülörlerden, endüstriyel ve ticari kazanlardan çıkan baca gazı emisyonları ciddi atmosferik kirliliğe neden olmaktadır. Baca gazındaki zehirli ve zararlı gazların izlenmesi, çevre koruma çabalarının önemli bir yönüdür. Bu ihtiyacı karşılamak için Sürekli Emisyon İzleme Sistemleri (CEMS) ortaya çıkmıştır ve bunlar genellikle baca gazı kirleticilerini kuru baca gazı koşullarına göre ölçmektedir. Bununla birlikte, endüstriyel olarak salınan baca gazı ideal kuru gaz değildir ve her zaman belirli bir miktarda nem içerir. Bu nedenle, baca gazı nemi, baca gazı kirlilik kaynağı izlemesinde temel bir ölçüm parametresi haline gelmiştir ve ölçümünün doğruluğu, toplam kirletici emisyonlarının ve konsantrasyonlarının hesaplanmasını ve baca gazı arıtma sistemi verimliliğinin değerlendirilmesini doğrudan etkiler.
Ayrıca, nem kalibrasyonu da önemli bir zorluktur. Bunun nedeni, yüksek sıcaklıkta nem üreteçlerinin üretilmesindeki zorluktur ve bu da çevrimiçi nem ölçüm cihazlarından elde edilen ölçüm değerlerinin izlenebilirliğini etkiler. Baca gazı nem ölçerlerinin doğrulanması ve kalibre edilmesi için, standart nem kaynakları üretebilen cihazların yanı sıra nem referans değerleri ve standartlarına sahip olmak da şarttır. Mutlak nem belirleme yeteneğine sahip nem ölçüm yöntemleri nem referans değerleri olarak kullanılabilir ve bilinen nem seviyelerine sahip gazlar da nem referans değerleri olarak kullanılabilir. "Sabit kaynaklı egzoz gazından yayılan gaz halindeki kirleticilerin partikül madde tayini ve örnekleme yöntemleri" standardı (GB/T 16157-1996), baca gazı neminin ölçülmesi için üç yöntem belirtir: ıslak-kuru termometre yöntemi, yoğuşma yöntemi ve gravimetrik yöntem. Baca gazı nem tespiti için referans yöntemler olarak hizmet veren bu üç yöntem, baca gazı nem ölçerlerinin kalibrasyonunda kullanılabilir. Ayrıca, nem jeneratörleri belirli sıcaklık ve basınç koşulları altında sabit nemli gaz üretebilir ve baca gazı nem ölçerlerinin kalibrasyonunda da kullanılabilir. Teknolojinin ilerlemesi ve ülkenin çevre korumasına verdiği önemin artmasıyla birlikte, Çin'de yüksek sıcaklıktaki baca gazı neminin çevrimiçi ölçümü için şu anda dört temel yöntem bulunmaktadır: sabit akış enjeksiyon yöntemi (ıslak-kuru ampul), direnç-kapasitans yöntemi, zirkonya bazlı iyon akışı (sınırlayıcı akım) yöntemi ve kızılötesi spektral absorpsiyon yöntemi.
Baca Gazı Neminin Ölçüm Yöntemlerine Giriş
>> Islak-Kuru Ampul Yöntemi
Islak ve kuru termometre yöntemi, ıslak termometre ve kuru termometre sıcaklıkları arasındaki fark etkisine dayanarak havanın bağıl nemini ölçer. Su molekülleri ıslak termometre yüzeyinden su buharına dönüşür ve bu buharlaşma için gerekli olan gizli ısıyı emer. Sürekli buharlaşma, yüzeyden ısıyı emmeye devam eder ve ıslak termometreyi soğutur. Soğuma derecesi, çevredeki havanın bağıl nemi, atmosfer basıncı ve rüzgar hızı tarafından belirlenir. Atmosfer basıncı ve rüzgar hızı sabit kalırsa, bağıl nem ne kadar yüksekse, ıslak termometre yüzeyinden su buharlaşma oranı o kadar düşük olur ve ıslak termometre sıcaklığı ile kuru termometre sıcaklığı arasındaki fark olan ıslak termometre yüzey sıcaklığı o kadar küçük olur; tersine, ıslak termometre ve kuru termometre sıcaklıkları arasındaki fark ne kadar büyükse, bağıl nem o kadar düşük olur. Buna göre, ıslak termometre ve kuru termometre sıcaklıkları arasındaki farkı ölçerek ve bağıl nem ile bu sıcaklık farkı arasındaki ilişkiyi belirleyerek, bağıl nem hesaplanabilir.2,3
>> Islak-Kuru Termometre Yöntemiyle Nem Ölçümünün Prensibi
Isı ve nem transferi prensiplerine göre, termal ve nem dengesine ulaşıldığında, havadan ıslak ampule aktarılan ısı miktarı Q1, gazlı bezden nemin buharlaşması için gerekli olan gizli ısı Q2'ye eşittir, yani: Q1 = Q2 (1)
Isı transferi prensibine dayanarak: Q1=α（t-tw）F (2)
Formülde: α, hava ile yaş termometre su yüzeyi arasındaki ısı değişim katsayısıdır, W/m2 ·℃; t, kuru termometre sıcaklığıdır, °C; tw, yaş termometre sıcaklığıdır, °C; F, yaş termometre yüzey alanıdır, m².
Nem transferi prensibi ve Dalton'un buharlaşma yasasına göre, buharlaşan suyun kütlesi, çevredeki havanın buhar doygunluk açığı ve buharlaşma alanı ile doğru orantılı ve o zamanki atmosfer basıncı ile ters orantılıdır. Bu nedenle, nem değişim hızı[4] şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde: W, nemin nem değişim hızıdır, kg/s; r, buharlaşma gizli ısısıdır, J/kg; β, nem değişim katsayısıdır, kg/(m²·s·Pa); F, yaş termometre yüzey alanıdır, m²; B, gerçek atmosfer basıncıdır, Pa; P´q,b, yaş termometre sıcaklığında doymuş su buharının kısmi basıncıdır, Pa; Pq, havadaki su buharının kısmi basıncıdır, Pa.
Formül (1), (2) ve (3)'ten türetilmiştir:
Formülde: psikrometre katsayısı
Dolayısıyla bağıl nem şu şekildedir:
Kirlilik kaynaklarından çıkan baca gazını izlemek için kullanılan ıslak-kuru termometre yöntemi, genellikle biri kuru termometre sıcaklığını, diğeri ıslak termometre sıcaklığını ölçmek için olmak üzere iki özdeş termokupl kullanır. Kuru termometre sıcaklığı için kullanılan sensör ana baca gazı akışına yerleştirilirken, ıslak termometre sıcaklığı için kullanılan sensör, bir su kabına bağlı pamuklu gazlı bezle sarılır. Islak termometre ve çevresindeki baca gazı, radyatif ısı iletimi dikkate alınmadan tek bir sistem olarak ele alınır. Kuru-ıslak termometre prensibine dayalı otomatik bir nem içeriği ölçüm cihazı, ıslak termometre ve kuru termometre yüzey sıcaklıkları, ıslak termometre yüzeyindeki basınç ve egzoz statik basıncı gibi parametreleri ölçen ve toplayan sensörleri kontrol etmek için bir mikroişlemci kullanır. Islak termometre yüzey sıcaklığındaki doymuş su buharı basıncını türetir ve giriş atmosfer basıncıyla birlikte, formülü kullanarak baca gazı nem içeriğini otomatik olarak hesaplar.
1-Grip;
2-Kuru termometre;
3-Islak termometre;
4-Yalıtımlı örnekleme tüpü;
5-Vakum basınç göstergesi;
6-Rotametre;
7-Hava emme pompası
>> Sabit Akışlı Püskürtme Yöntemi
Sabit akışlı püskürtme yöntemi (ıslak-kuru termometre). Islak-kuru termometre nem ölçümünün temel prensibi: bir sıcaklık sensörü (5), baca gazı sıcaklığını kuru termometre sıcaklığı olarak ölçer ve bir ölçüm hücresi (3) belirli miktarda su ile doldurulur. Su tankındaki (1) su, bir hortum pompası (2) vasıtasıyla sürekli olarak ölçüm hücresine verilir. Ölçüm hücresindeki su seviyesi bir sensör tarafından izlenir ve hücre içindeki basınç da ölçüm doğruluğunu sağlamak ve sıvıyı izlemek için bir sensör tarafından algılanır. Ölçüm hücresinin içine bir sıcaklık sensörü (6) yerleştirilir ve su yüzeyinin altına konumlandırılması gerekir. Daha sonra baca gazı, ölçüm hücresindeki su yüzeyinin hemen üzerine sabit bir akış hızında sürekli olarak püskürtülür ve algılanan sıcaklık ıslak termometre sıcaklığı olarak alınır (Şekil 2'ye bakınız). Isı transferi ve termodinamik prensiplerine dayanarak, aşağıdaki matematiksel formül türetilebilir:
Formülde
U—Bağıl nem %;
etw—Yaş termometre sıcaklığındaki doymuş su buharı basıncı;
et—Kuru termometre sıcaklığındaki doymuş su buharı basıncı;
P—Atmosfer basıncı;
∆t—Kuru termometre ile yaş termometre arasındaki sıcaklık farkı;
A—Rüzgar hızıyla ilgili bir sabit.
Chang Ai'nin Sabit Akışlı Püskürtmeli Yüksek Sıcaklık Higrometresi
Chang Ai'nin CI-PC39 modeli, yüksek sıcaklık ve yüksek nem ölçüm süreçlerinin yanı sıra aşındırıcı ve tozlu gazlar içeren süreçlerde de başarıyla kullanılmıştır. Birçok endüstriyel süreçte, ürün kalitesini sağlamak, enerji verimliliğini optimize etmek veya emisyon azaltma hedeflerine ulaşmak için proses gazı neminin izlenmesi ve kontrol edilmesi gereklidir. CI-PC39, korozyona dayanıklı zorlu ortamlarda (atık yakma tesisleri, sülfürik asit, hidroflorik asit veya kral suyu gibi) nem ölçümü de dahil olmak üzere en zorlu endüstriyel uygulama gereksinimleri için tasarlanmış bir proses higrometresidir. Doğru ve güvenilir ölçüm verileri, geniş sıcaklık aralığına uyum, düşük bakım yükü ve uzun hizmet ömrü özelliklerine sahiptir. Dezavantajları arasında yüksek fiyat, büyük boyut ve düzenli su doldurma ihtiyacı yer almaktadır.
Yukarıdaki matematiksel formüle dayanarak, baca gazındaki nemin ölçülmesi için sabit akımlı püskürtme yönteminin, baca gazı sıcaklığının dolaylı ölçümü yoluyla gerçekleştirildiğini açıkça görebiliriz. Temsili ürünü Şekil (3)'te gösterilmiştir.
Sıcaklık ölçüm teknolojisi nispeten olgun ve güvenilirdir. Son derece zorlu çalışma koşullarında bile, sıcaklık sensörlerinin yerinde değiştirilmesi kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Islak-kuru termometrenin çalışma prensibi sabit akışlı püskürtme yöntemi olsa da, meteoroloji departmanları tarafından havadaki bağıl nemi ölçmek için piyasada yaygın olarak kullanılan higrometrelerden farklıdır. Bu higrometre, yepyeni, hatta devrim niteliğinde yenilikçi bir tasarım sayesinde yukarıda belirtilen ölçüm sonuçlarını elde etmiştir.
Yoğunlaştırma Yöntemi
Yoğuşma yönteminin prensibi şu şekildedir: Baca gazından belirli bir hacimde egzoz gazı alınır ve bir kondenserden geçirilir. Egzoz gazındaki nem içeriği, yoğuşan su miktarı ile kondenserden çıkan doymuş gazda bulunan su buharı miktarının toplanmasıyla hesaplanır.
● Kondenser, bkz. Şekil (1)
● Baca tozu örnekleme cihazı: Bir baca tozu örnekleyicisinden (tr, tv, Pr, Qrw ölçümü, zamanlama ayarı ve gaz kurutma fonksiyonu yapabilen), örnekleme tüpünden ve hava pompasından oluşur.
>> Tespit Yöntemleri
● Kondansatörü soğuk su borusuna bağlayın veya doğrudan buzlu suya yerleştirin, ardından tüm sistemi Şekil 2'de gösterildiği gibi bağlayın ve tüm sistemde gaz kaçağı olup olmadığını kontrol edin;
● Gaz kaçağı kontrol yöntemi: Numune alma tüpü ile kondenser arasındaki kauçuk hortumu tıkayın, ardından hava pompasını çalıştırın. Akış ölçerden önceki basınç göstergesinin gösterdiği negatif basınç 6,6 kPa'ya (50 mmHg) ulaştığında, akış ölçer ile hava pompası arasındaki kauçuk hortumu kapatın ve pompalamayı durdurun. Basınç göstergesinin göstergesi 1 dakika içinde 0,2 kPa'dan (1,5 mmHg) fazla düşmezse, sistem hava geçirmezdir.
Şekil (2) Nem Ölçme ve Örnekleme Sistemi
| Katodik indirgeme reaksiyonu | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| Anodik oksidasyon reaksiyonu | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Yukarıdaki elektrot reaksiyon denklemlerinden de görülebileceği gibi, elektrolitik hücre veya elektrotlarda herhangi bir tüketim söz konusu değildir. Bu nedenle, kullanıcıların çalışma sırasında elektrotları veya elektrolitik hücreyi değiştirmelerine gerek yoktur; sadece periyodik olarak damıtılmış su ve elektrolit takviyesi yapmaları yeterlidir (elektrolit doğal buharlaşma nedeniyle azalır). Bu durum, genellikle 1 ila 2 yılda bir değiştirilmesi gereken yukarıda bahsedilen yakıt hücresi oksijen sensörlerinden farklıdır.
Alkalin yakıt hücresi tipi oksijen sensörleri tanıtılırken, ölçülen gazın asidik bileşenler içerdiği uygulamalarda kullanılmamaları gerektiği vurgulanmaktadır. Delta F elektrolitik oksijen sensörü, elektrolit olarak alkalin KOH çözeltisi kullanır. Asidik gazların neden olduğu girişimleri gidermek ve elektrot korozyonunu önlemek için sensörün içine bir çift Stab-EL yardımcı elektrot tasarlanmıştır. Bu yardımcı elektrotların işlevi, asidik gazlar içeren numune gazı elektrolitik hücreye girdikten sonra bu zararlı gazları uzaklaştırarak sensörün hasar görmesini önlemek ve analizörün okumalarının doğruluğunu sağlamaktır.
Şekil 6-4 Delta F izleme oksijen sensörünün şematik diyagramı
