Sabit kirlilik kaynağına sahip baca gazı nemi

Baca gazı emisyonunun geleneksel izlenmesinde, baca gazı nemi önemli bir parametredir ve aynı zamanda doğru ölçülmesi en zor olanıdır. Nem ölçümü kendi başına diğer faktörlerden (atmosfer basıncı, sıcaklık) etkilenir; ayrıca baca gazı nemi ölçümü yüksek sıcaklık, yüksek toz, yüksek nem, negatif basınç ve korozyon sorunlarıyla da karşı karşıya kalır.

Ayrıca, nem kalibrasyonu zor bir problemdir. Bunun nedeni, yüksek sıcaklıkta nem üreteci üretmenin zor olması ve bu durumun çevrimiçi nem ölçüm cihazlarının ölçümünü etkilemesidir. Baca gazı nem ölçüm cihazının doğrulanması ve kalibre edilmesi için, standart nem kaynağı ve nem standardı üretebilen bir cihaza ihtiyaç vardır. Mutlak nem ölçümü yapabilen bir nem ölçüm yöntemi, nem referansı olarak kullanılabilir. Bilinen neme sahip gazlar da nem için referans noktası olarak kullanılabilir. "Sabit Kirlilik Kaynağının Egzozunda Partikül ve Gaz Halindeki Kirleticilerin Örnekleme Yöntemi" standardı (GB/T16157-1996), baca gazı nem ölçümünün referans yöntemi olarak kullanılan ve baca gazı nem ölçüm cihazının kalibrasyonunda kullanılabilen üç tür baca gazı nem ölçüm yöntemini öngörmektedir: yoğunlaşma yöntemi, ağırlık yöntemi ve kuru-ıslak top yöntemi. Ayrıca, nem üreteci belirli bir sıcaklık ve basınçta sabit nem üretir ve baca gazı nem ölçerinin kalibrasyonunda da kullanılabilir.

1. Baca gazı nem ölçüm yönteminin tanıtımı

Kuru-ıslak top yöntemi

GB/T16157-1996 standardındaki üç nem referans yöntemi pratik uygulamada ideal değildir. Ağırlık yöntemi ve yoğuşma yöntemi karmaşıktır, test koşulları zordur ve test süresi uzundur. Kuru-ıslak top yöntemi basittir, ancak hata oranı yüksektir.

Baca gazı neminin kuru-ıslak top yöntemiyle ölçülmesindeki temel sorun, baca gazı sıcaklığının yüksek olması, genellikle 100°C'nin üzerinde olması, ancak kuru top sıcaklığının gerçek baca gazı sıcaklığına ulaşamamasıdır.

Sıcaklık genellikle ortam sıcaklığı ile baca gazı sıcaklığı arasında olduğundan, sabit bir ölçüm hatası oluşur. Zong Ningsheng, kuru-ıslak top yöntemiyle baca gazının nemini ölçerken aşağıdaki işlemlerin dikkate alınması gerektiğine inanmaktadır: Sıcaklık göstergesi sabitlendiğinde ve artık yükselmediğinde ölçümler yapılabilir (5-10 dakika). Baca gazının sıcaklığının aşırı düşmesini önlemek için, numune alma borusu ile kuru ve ıslak termometreler arasındaki bağlantı borusu daha kısa olmalı ve boru duvarı ince olmamalıdır. Soğuk iklimlerde, ısıtmalı numune alma tüpleri kullanılmalıdır.

Chang-Ai, baca gazının çiğlenme noktasına ulaşması ve numune alma tüpünde buhar yoğunlaşması hatalarını önlemek için kuru-ıslak küre termometresini ve ısıtmalı baca gazı numune alma tüpünü geliştirdi.

Şekil 1CI-PC39 Anahatı

Ölçüm noktasındaki gerçek baca gazı sıcaklığına göre, numune alma tüpünün ısıtma sıcaklığı değiştirilerek, kuru-ıslak bilye haznesine giren baca gazı sıcaklığı ile numune alma noktasındaki baca gazı sıcaklığı arasındaki fark giderilir. Kendi geliştirdiğimiz kuru-ıslak bilye higrometresinin doğruluğu ve kararlılığı, standart kuru-ıslak bilye yöntemi ve ağırlık yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, nem ölçer tarafından ölçülen nem verilerinin güvenilir ve etkili olduğunu, baca gazının nemindeki değişime duyarlı bir tepki verdiğini ve sürekli ve istikrarlı bir şekilde çalışabildiğini göstermektedir. Kuru ve ıslak bilyenin çalışma prensibi darbe jeti yöntemine dayanmasına rağmen, havanın bağıl nemini ölçmek için kullanılan hava durumu departmanına benzer yaygın bir nem ölçüm cihazı değildir. Bu nem ölçüm cihazı, yukarıdaki ölçüm sonuçlarını elde etmek için yepyeni, hatta yenilikçi bir tasarıma sahiptir; temsili ürün şekli Şekil 1'de gösterilmiştir.

Chang-Ai ölçüm mühendisliği, yüksek sıcaklık ve yüksek nem ölçüm süreçlerinin yanı sıra aşındırıcı ve toz içeren gazların kullanıldığı süreçlerde de başarıyla uygulanmıştır. Birçok süreçte, ürün kalitesini sağlamak, enerji verimliliğini artırmak veya emisyon azaltma hedefine ulaşmak için proses gazı neminin izlenmesi ve kontrol edilmesi gereklidir. CI-PC39, korozyon direnci, sürekli çalışma ve kirlenmeye karşı duyarsızlık gibi en zorlu endüstriyel gereksinimleri karşılayan bir proses nem ölçeridir.

Yoğunlaştırma yöntemi

Yoğuşma yönteminin prensibi, baca gazından belirli bir hacimde egzoz gazı alınarak kondenserden geçirilmesi ve egzoz gazındaki su içeriğinin, yoğunlaşan su miktarına ve kondenserden çıkan doymuş gazın su buharı içeriğine göre hesaplanmasıdır. Ağırlık yönteminin prensibi ise, baca gazından belirli bir hacimde egzoz gazı alınarak, egzoz gazındaki nemin nem emici madde ile doldurulmuş nem emici tüp aracılığıyla emilmesi ve egzoz gazındaki nem emici tüpün ağırlığının, bilinen hacimdeki egzoz gazında bulunan su bileşenini göstermesidir. İki yöntem prensip olarak benzerdir. Baca gazı neminin kütle konsantrasyonu, nem içeriğinin tartılması ve örnekleme hacmine bölünmesiyle doğrudan elde edilir ve daha sonra kütle konsantrasyonu hacim yüzdesine dönüştürülür.

Kuru-ıslak top yöntemi kullanımı kolaydır ve yüksek uyarlanabilirliğe sahiptir. Baca gazı nemi için yaygın bir çevrimiçi ölçüm referans yöntemidir. Yoğuşma yöntemi ve ağırlık yöntemi daha yüksek doğruluğa sahiptir, ancak test karmaşıktır, yüksek personel gerektirir, test süresi uzundur ve baca gazı neminin çevrimiçi ölçümü için uygun değildir; yalnızca laboratuvar yöntemi ve çevrimiçi ölçüm yöntemi karşılaştırma testi olarak kullanılabilir.

Engelleme yöntemi

Bir madde bir çift elektrot arasına yerleştirildiğinde, su buharını emdiğinde elektrotlar arasındaki kapasitans değişir. Baca gazının nem içeriği, nem emici malzemenin kapasitans değişiminin ölçülmesiyle elde edilebilir; bu işleme kapasitif nem sensörü denir. Geleneksel kapasitif nem ölçüm cihazlarının sensör hassasiyeti, nem histerezisi, sıcaklık katsayısı ve uzun vadeli kararlılık gibi bazı sorunları vardır.

Bu buluş, patentli bir ürün olan, geliştirilmiş kapasitif yöntemli nem ölçer olan, yüksek sıcaklıkta çalışan, hacim dirençli, çevrimiçi baca gazı nem ölçerine ilişkindir ve iyi korozyon direncine ve yüksek hassasiyete sahiptir. Polimer film kapasitif nem sensörü kullanır.

Nem sensörü olarak, sıcaklık dengelemesi için platin dirençli bir sıcaklık sensörü kullanılır. Çalışma prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir; su buharı, yüksek moleküler film kapasitanslı nem sensörünün üst elektrotundan geçer ve yüksek moleküler aktif polimer filme ulaşır. Sensörün boyutu küçük ve polimer film çok ince olduğundan, sensör çevredeki nem değişimine hızlı bir şekilde tepki verebilir.

Şekil 2. Direnç ve Kapasiteli Su Sayacının Çalışma Prensibinin Blok Diyagramı

Polimerde emilen su buharı, sensörün dielektrik özelliklerini ve kapasitans değerini değiştirir, kapasitif nem sensörünün çıkış sinyalini bir voltaj değerine dönüştürür ve sıcaklık sensörü aracılığıyla bir sıcaklık voltaj sinyali üreterek otomatik sıcaklık kompanzasyonu gerçekleştirir. Nem ölçer, duman sıcaklığı ≤180°C altında %0~20±2 aralığında su içeriğini ölçebilir.

Son yıllarda, daha iyi nem algılama ortamları arayışına yönelik birçok araştırma yapılmıştır. Bunlar arasında, yüksek hassasiyetleri, hızlı tepki süreleri ve düşük nem histerezisi nedeniyle organik polimer malzemeler büyük ilgi görmüştür. İki ana nem algılama ortamı malzemesi türü vardır: CAB serisi (selüloz asetat bütirat) ve P serisi (poliimid).

Organik polimer kapasitif nem sensörü başlangıçta selüloz asetat ve türevlerinden yapılmıştır. Günümüzde çoğunlukla selüloz asetat kullanılmaktadır. Japon Sakai, çeşitli selüloz türevlerinin özelliklerini karşılaştırmış ve kapasitans, sıcaklık ve absorpsiyon izotermleri özelliklerini incelemiştir. Sonuçlar, higroskopik olmayan bir nem sensörü yapmak için su miktarının sınırlandırılması ve moleküller arasındaki etkileşimin olmaması gerektiğini göstermektedir. Selüloz asetat malzemesinin, özellikle gözenekli altın elektrottan yapılmış olanının, sadece hızlı tepki hızına sahip olmakla kalmayıp, aynı zamanda düşük higroskopik histerezise de sahip olduğu önerilmektedir.

Matsuguchi, poliimidin her iki ucunda asetilen grupları bulunan düşük polimerlerin sentezini önerdi. Düşük polimer halinde, çözelti kullanılarak çözülür ve film, bir film oluşturmak üzere alt tabakaya kaplanır; ısıtıldıktan sonra, suda kolayca çözünmeyen stereo-bağlantılı bir yapıya sahip poliimid elde edilir. Malzeme katılaştığında sudan ayrılmadığı ve sertleşmiş film üzerinde mikro deliklerin oluşması zor olduğu için, iyi su direncine sahip nem duyarlı bir malzemedir. Sonuçlar, modifiye edilmiş poliimidin nem duyarlı elemanının hızlı tepki hızına ve neredeyse hiç histerezise sahip olmadığını göstermektedir. Sıcaklık katsayısı küçüktür, çözücü direnci (aseton) de iyidir ve kararlılık büyük ölçüde iyileştirilmiştir.

Chen Xingzhu, yeni bir kapasitif kompozit dielektrik film nem sensörü türü önerdi. Dielektrik filmi, farklı doğrusal çıkış ve sıcaklık özelliklerine sahip iki tip PI (CAB) malzemesinden oluşmaktadır. PI ve CAB tekli malzemelerine kıyasla, kompozit malzeme küçük histerezis, küçük doğrusal olmayan hata ve küçük sıcaklık katsayısına sahiptir ve tekrarlanabilirlik ve uzun vadeli kararlılıkta belirgin bir iyileşme göstermektedir. Bu, kapasitif nem sensörünün dielektrik malzemesinin fonksiyonel tasarımı için yeni bir fikir sunmaktadır. Temsili ürün şekli Şekil 3'te gösterilmiştir.

Şekil 3 CI-XS200 çiğ noktası sensörünün profili

Kapasitif yöntemin başlıca avantajları yüksek hassasiyet, hızlı tepki, kolay üretim, minyatürleştirme ve entegrasyonun kolaylığıdır. Şu anda Çin'de baca gazı için çevrimiçi nem ölçüm cihazlarının birçok uygulaması bulunmaktadır, ancak uzun vadeli kararlılık ideal değildir ve uzun süreli kullanımda sapmalar ciddi olup arıza ve hasara neden olmaktadır. Kapasitif nem sensörünün korozyon direnci daha düşüktür ve genellikle daha yüksek temizlik gerektiren bir ortam gerektirir. Bazı ürünlerde hala yıldırım kaynaklı arıza ve elektrostatik arıza gibi bazı olaylar görülmektedir. Kısacası, bu sürekli olarak geliştirilen bir yöntemdir.

Akımı sınırlama yöntemi

Yapılan kapsamlı teorik çalışmalar ve çok sayıda deney sonucunda, iyon akış sensörünün kullanımıyla nemin doğru bir şekilde ölçülebileceği gösterilmiştir. Sensörün katot ve anotuna uygulanan voltaj değiştirilerek nem ölçülebilir. Bu bulgu, sıradan nem sensörlerinin yüksek sıcaklık ortamlarına (örneğin, 100°C'nin üzerinde) uyum sağlayamaması sorununu çözmektedir.

Zirkonyum oksitin anot ve katotuna bir çalışma gerilimi uygulanarak, oksijen iyonlarının katottan anoda doğru hareket etmesini sağlayacak bir elektrik alanı oluşturulur ve bu da zirkonyum oksit üzerinden bir oksijen iyon akımı oluşturur. Ölçülen atmosferdeki oksijen konsantrasyonu belirli olduğunda, zirkonyum oksit sensörünün akım değeri uygulanan gerilimin artmasıyla artmaz ve sabit bir değere ulaşır; bu sabit akım değerine oksijen konsantrasyonunun limit akım değeri, yani birinci limit akım değeri denir. Çalışma prensibine göre, ölçülen atmosfer su buharı içerdiğinde, uygulanan gerilim artırılarak su buharı da oksijen iyonlarına dönüştürülür ve ölçülen atmosferdeki su buharı konsantrasyonu sabit olduğunda, zirkonyum oksit sensörü sabit bir akım değeri üretir; bu değere ikinci limit akım değeri denir.

Şekil 4. Sınır Akımı ile Uygulanan Gerilim Arasındaki İlişki

Şekil 5. Su Buharı Altında Sensörün Çıkış Sınır Akımının Eğri Diyagramı

Sensörün katot ve anotunda gerçekleşen reaksiyon şu şekildedir:

Katot tarafı:O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Anot tarafı: O2- → 1/2O2+2e- (6)

Sensörün gaz difüzyon limiti Ficks kuralına göre, oksijenin difüzyon katsayısının su buharının difüzyon katsayısına eşit olması koşulu altında, birinci limit akımı I1 ve ikinci limit akımı I2 sırasıyla aşağıdaki formüllerle ifade edilir:

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

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

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Formülde: F, Faraday sabiti; D, karışık gaz molekülünün difüzyon katsayısı; S, difüzyon deliğinin alanı; P, karışık gazın toplam basıncı; PO2, kısmi basınç; PH2O, su buharı kısmi basıncı; R, gaz sabiti; T, mutlak sıcaklık; L, gaz difüzyon deliğinin uzunluğu; 0,21, havadaki oksijen içeriğidir.

İyon akımıyla nem ölçümünün uygulama alanı şöyledir:

Chang Ai Co., Ltd., Çin'de aşırı akım tipi zirkonya sensörünü ilk kez tanıtan Çinli Dr. Zhang Yi Can ve ekibi ile Chengdu Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Mikroelektronik ve Katı Malzemeler Enstitüsü Direktörü Yang Bang Chao iş birliğiyle, iyon akım sensörlerinin yüksek sıcaklık ve nem ölçümünde uygulanmasında öncülük etmiştir. Şirket, 2006 yılında iyon akış sensörüne dayalı GRL-12 yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazını (Şekil 5) ilk kez piyasaya sürmüş ve 2008 Yeşil Olimpiyatları öncesinde Shanxi'deki koklaştırma tesislerinde ve termik santral emisyon izleme sistemlerinde çok sayıda uygulama gerçekleştirerek, çevre koruma ve izleme alanında yerli bir işletme olarak yükümlülük ve katkı sağlamıştır. Chang'ai Şirketi, on yılı aşkın bir süredir devam eden geliştirme çalışmaları sonucunda, iyon akış sensörlerine dayalı çok sayıda nem analiz cihazı geliştirmiştir. Bunlar arasında CI-PC18 serisi nem verici, CI-PC19 toprak nem monitörü, CI-PC168 serisi yüksek sıcaklık nem analizörü , CI-PC193 gıda endüstrisi nem algılama sistemi ve CI-PC196 serisi yüksek sıcaklık nem analiz sistemi bulunmaktadır. Ürünlerin görselleri Şekil 6'da gösterilmiştir.

Şekil 6 CI-PC18 Yüksek Sıcaklık Higrometre Profili

Sensör yapısı:

Şekil 6 3 boyutlu iyon akışlı nem sensörü yapısı

Bu ürünler çevre koruma, baskı ve boyama, kereste, inşaat malzemeleri, kağıt sanayi, kimya sanayi, elyaf ve eczacılık sektörlerinin yanı sıra gıda, tütün, sebze ve tahıl işleme ve depolama sanayilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kuru-ıslak oksijen yöntemi

CEMS sisteminin oksijen sensörü, baca gazının nem alma işleminden önce ve sonra oksijen içeriğini ölçmek için kullanılır. Baca gazındaki nem içeriği hesaplanırken, baca gazının nemi aşağıdaki formüle göre hesaplanır:

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

Formül (1)'de X ve O2, ıslak baca gazındaki oksijenin hacim yüzdesi (%), ve Xo2 ise kuru baca gazındaki oksijenin hacim yüzdesidir (%).

Kuru ve ıslak oksijenin temel sorunu, kuru ve ıslak oksijeni ayrı ayrı ölçmek için iki ayrı cihaza ihtiyaç duyulmasıdır. Örnekleme noktalarının farklılığından ve örnekleme hatalarından kaynaklanan hata şu şekildedir: İki cihazın hatası üst üste biner. Bu hataların bu yöntemle üstesinden gelmek zordur.

Kızılötesi emilimi

Absorpsiyon spektroskopisi, kızılötesi ve ultraviyole absorpsiyonu da içeren modern nem ölçümünde önemli bir tekniktir. Şu anda, yakın kızılötesi absorpsiyon spektrumuna dayalı ölçüm teknolojisi daha olgun hale gelmiş olup, ölçüm doğruluğu, hassasiyeti ve ölçüm aralığı geleneksel nem analiz yöntemine göre daha iyidir.

Kızılötesi soğurma yöntemi, suyun belirli dalga boyundaki kızılötesi ışığı güçlü bir şekilde soğurması prensibini kullanır; su içeriğine bağlı olarak ışığın soğurma derecesi değişir ve Lambert-Beer yasasına uyar. Gazın soğurma dalga boyunda ve referans dalga boyunda geçirgenliğini ölçerek, iki dalga boyunun geçirgenlik oranının gazdaki su buharı içeriğinin bir fonksiyonu olduğu bulunur. Wan Jia Rong, en yaygın kullanılan soğurma dalga boylarının 1,45 μm ve 1,94 μm, en yaygın kullanılan referans dalga boylarının ise 1,73 μm ve 2,1 μm olduğunu tespit etmiştir.

Yakın kızılötesi soğurma spektroskopisine dayalı iki tür nem ölçüm yöntemi vardır: lazer diyot rezonans zayıflama spektroskopisi (CRDS) ve ayarlanabilir lazer diyot soğurma spektroskopisi (TLDAS). CRDS rezonatörü basit bir yapıya ve küçük bir boyuta sahip olup, gazın hızlı bir şekilde değiştirilmesini sağlar; bu nedenle CRDS, çevrimiçi ölçüm için çok uygundur. TLDAS, mikro nem ölçümü alanında kullanılan ve yüksek hassasiyet ve hızlı tepki avantajlarına sahip, nispeten olgun bir soğurma spektrumu ölçüm teknolojisidir.

Ancak, baca gazı nem ölçümünde kullanılan kızılötesi soğurma yönteminde, CO2/SO2/NOX'e duyarlı dalga boylarının girişiminden kaçınmak gerekir ki bu da zordur ve cihazın yüksek fiyatıyla birleştiğinde, baca gazı nem ölçümünde nadiren kullanılır.

Yüksek sıcaklık nem jeneratörü

Baca gazının sıcaklığı genellikle daha yüksek olduğundan (yaklaşık 80°C~120°C), sıradan nem jeneratörleri normal sıcaklıkta sabit nem üretir; yüksek sıcaklıkta bile sabit nem sağlansa bile, kullanım sırasında sıcaklığın sabit tutulması zordur. Normal sıcaklıkta çalışan nem jeneratörü ile yüksek sıcaklıkta çalışan baca gazı nem ölçerinin kalibrasyonu genellikle gereksinimleri karşılamakta zorlanır ve bu da yüksek sıcaklık nem ölçümünün araştırma ve uygulamasına büyük kısıtlamalar getirir. Özellikle kapasitif nem sensörleri, ortam nemine ek olarak sıcaklığa da duyarlıdır ve sıcaklık kaymasına neden olma olasılığı yüksektir; bu nedenle yüksek sıcaklık nem jeneratörü geliştirilmesi gereklidir.

Yüksek sıcaklık nem jeneratörü, daha yüksek sıcaklıklarda kararlı nem üretebilir. Baca gazı nem ölçüm cihazı için kullanışlı ve sezgisel bir kalibrasyon cihazıdır. Zhang Wen Dong, çift sıcaklık ve çift basınç yöntemi prensibini kullanarak bir dizi yüksek sıcaklık hassas nem jeneratörü geliştirmiştir. Sıcaklık kararlılığı deneyleri 50°C, 100°C ve 150°C'de 2 saat süreyle gerçekleştirilmiştir. Doyurucu yağ tankı ve test odasının sıcaklık kararlılığı test sonuçları 0,02°C içinde kalmıştır. Cihazın maksimum teorik belirsizliği ±1,09 RH'dir. Cihazın doğruluğu, ağırlık yöntemi higrometresinin test sonuçlarıyla doğrulanmıştır. Cihaz, yüksek sıcaklık nem sensörü ve vericisinin düzeltilmesi için kullanılabilir.

2. Özet

Baca gazı neminin ölçümü bilinen bir sorundur. Ulusal standartta belirtilen referans yöntem olan kuru-ıslak top yöntemi, hata üretmeye yatkındır. Yoğuşma yöntemi ve ağırlık yöntemi yüksek hassasiyete sahiptir, ancak işlem karmaşıktır ve yalnızca laboratuvar yöntemleri olarak kullanılabilirler. Çin'deki CEMS sistemlerinde kullanılan baca gazı neminin çevrimiçi ölçüm yöntemi kapasitans yöntemi ve limit akım yöntemidir. Bu yöntemlerin her ikisi de elektronik nem sensörüne aittir. Uygulama potansiyeli geniştir, ancak kirliliğe karşı dayanıklılık ve uzun vadeli kararlılık iyileştirilmelidir. Bununla birlikte, kuru-ıslak oksijen yöntemi büyük bir hataya sahiptir ve kızılötesi absorpsiyon yöntemi pahalıdır, bu nedenle daha az kullanılır. Normal sıcaklıkta nem üreteci de baca gazı nem ölçüm cihazının kalibrasyon gereksinimlerini karşılamakta zorlanmaktadır. Yüksek sıcaklık ve nem üretecinin geliştirilmesi gereklidir ve aynı zamanda teknik bir sorundur.