Baca gazı çevrimiçi yüksek sıcaklık ve nem analiz cihazının tanıtımı ve uygulama geliştirilmesi

Baca gazı çevrimiçi yüksek sıcaklık ve nem analiz cihazının tanıtımı ve uygulama geliştirilmesi

Önsöz

Sabit kirlilik kaynağının egzoz gazındaki baca gazı neminin ölçümü, esas olarak kuru bazda oksijen içeriğini elde etmek ve böylece baca gazı ve gaz halindeki kirlilik emisyonlarının gerçek içeriğini hesaplamak içindir. Nemli baca gazının yüksek sıcaklığı, yüksek toz miktarı ve termik santral, petrokimya tesisi, çöp yakma tesisi, çelik üretim tesisi vb. gibi endüstriyel alanda kullanılan kazan veya endüstriyel fırınların baca gazı bileşenlerindeki büyük farklılıklar nedeniyle, ayrıca dünyada nem ölçümü zor bir problemdir, bu nedenle baca gazı neminin çevrimiçi tespiti çok zordur. Geçtiğimiz birkaç yılda, evsel baca gazının yüksek sıcaklık ve nem ölçümü çoğunlukla elle yapılıyordu; yani, GB/T 16157-1996 "Sabit Kirlilik Kaynağının Egzozunda Partikül Madde Belirleme ve Gaz Halindeki Kirleticilerin Örneklenmesi Yöntemi" gerekliliklerine göre, ağırlık yöntemi, yoğunlaşma yöntemi ve kuru-ıslak top yöntemi seçilerek belirleniyor ve ortalama değer CEMS sistemine giriliyordu. Teknolojinin gelişmesi ve ilerlemesi ile ulusal çevre korumasına verilen önemin artmasıyla birlikte, şu anda Çin'de baca gazının yüksek sıcaklık ve neminin çevrimiçi ölçümü için dört yöntem bulunmaktadır: 1. Direnç kapasitans yöntemi 2. Sınır akım tipi zirkonyum oksit prensibi yöntemi 3. Darbe enjeksiyon yöntemi (kuru ve ıslak top) 4. Kızılötesi spektrum absorpsiyon yöntemi.

1. Direnç-kapasitans yöntemi

Çin'de baca gazının yüksek sıcaklık ve nem ölçümünde kullanılan direnç-kapasitans yöntemi, kapasitans yöntemidir. Bu yöntemde kullanılan sensörler çoğunlukla nem duyarlı malzeme olarak poliimid kullanır. Bu malzemeden yapılan polimer nem duyarlı kapasitör iyi elektriksel performansa sahiptir ve dielektrik sabiti ile dielektrik kaybı çok küçüktür. Poliimidin dielektrik sabiti tamamen kuru halde 2~3'tür ve su molekülünün dielektrik sabiti 20°C'de yaklaşık 80'dir. Su molekülünün adsorpsiyonundan sonraki yeniden kazanılmış dielektrik sabiti şöyledir:

εu=εr+aWuεh (1)

Wu=b(p/p0) εr+ aWuεh （2）

εu, %0 bağıl nemdeki kompozit dielektrik sabiti; εr, %0 bağıl nemdeki poliimid filmin dielektrik sabiti; a, b yapı sabitleri; εh, poliimid filmde adsorbe edilen suyun dielektrik sabiti; Wu, %0 bağıl nemdeki polimerin birim kütlesi tarafından adsorbe edilen su kütlesi; p/p0 ise su buharı dengesinin bağıl basıncıdır. Makromolekül nem duyarlı kapasitör, ortamdaki gaz halindeki su moleküllerini emdiğinde, malzemenin dielektrik sabiti değişir ve bu da kapasitans değerinin değişmesine neden olur; buna karşılık gelen ortam nem değeri, kapasitans değerindeki değişim ölçülerek hesaplanır. Şu anda, baca gazındaki yüksek sıcaklık ve nem ölçümünde kullanılan kapasitans sensörü-polimer nem duyarlı kapasitör, esas olarak cam alt tabaka, alt elektrot, polimer nem duyarlı film, üst elektrot vb. bileşenlerden oluşan düz bir kapasitör yapısını benimser. Düz kapasitör formülüne göre, kapasitans ile bağıl nem arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilebilir:

Şekil 1. Polimer Nem Duyarlı Kapasitansın Yapı Şeması

Ch nem duyarlı kapasitansın kapasitans değeri, ε0 vakum dielektrik sabiti, S nem duyarlı kapasitans elektrotunun alanı, D nem duyarlı kapasitans elektrotları arasındaki mesafe ve aynı zamanda nem duyarlı filmin kalınlığıdır. Formüller (1), (2) ve (3)'ten, nem duyarlı kapasitansın su molekülü adsorpsiyon kapasitesi ile su buharı dengesinin bağıl basıncı arasındaki ilişkinin Herry adsorpsiyon izotermine uygun olması gerektiği, yani kapasitans kapasitesi ile bağıl nem arasındaki ilişkinin doğrusal olması gerektiği görülebilir.

Özetle, yüksek sıcaklık nem ölçümünün, direnç-hacim yöntemiyle baca gazındaki bağıl nemi yansıttığını görebiliriz. Bağıl nemin tanımı şu şekildedir: Bağıl nem, belirli bir sıcaklık ve basınçta su basıncının doymuş su buharı basıncına oranı olarak ifade edilebilir. Tanıma göre, bağıl nem ve sıcaklık yakından ilişkilidir. Pratik uygulamada, baca gazındaki kuru oksijen içeriğini hesaplamak için hacim oranına ihtiyaç duyarız. Bu nedenle, baca gazındaki su buharının hacim oranını hesaplamak için nem sensörünün ortam sıcaklığını ölçmek gereklidir.

Baca gazı nem ölçerinin direnç-kapasitans yönteminin gerçek kullanımına göre, direnç-kapasitans yöntemi hızlı tepki süresi, küçük hacim ve yoğuşma suyu oluştuğunda kolayca hasar görmeme özelliklerine sahiptir. Dezavantajı ise baca gazı sıcaklığının 170°C'yi geçmemesi, sıcaklık ne kadar yüksek olursa verilerin o kadar kolay dalgalanması ve hacim oranı %6'dan az olan nem değerlerinin ölçülmesinin zor olmasıdır. Bunun nedeni, nem oranı %0-40 (hacim oranı) olan su gazının (30°C'nin üzerinde) sıcaklığa (100°C'nin üzerinde) karşılık gelen doymuş su basıncına sahip olması ve bağıl nem ne kadar yüksek olursa, karşılık gelen kapasite değişiminin o kadar küçük olmasıdır. Ancak kapasite değişiminin aralığı veya çözünürlüğü sınırlıdır. Üçüncüsü, atık yakma baca gazı, metalurji baca gazı vb. genellikle belirli bir aşındırıcılığa sahiptir, elektrot kolayca arızalanır ve ömrü çok kısadır.

2. Zirkonyumda akımı sınırlamanın temel yöntemi

Sınırlı akım tipi zirkonya, zirkonya oksijen pompası prensibini kullanarak çalışır.

Öncelikle, zirkonya katı elektrolit yüksek sıcaklığa (350°C'nin üzerinde) ısıtılır ve aynı anda zirkonya katı elektrolitin her iki tarafındaki platin elektrotlara çalışma voltajı uygulanır. Katot tarafındaki oksijen molekülü oksijen iyonlarına katalize edilir ve uygulanan voltajla anoda doğru 'pompalanır'. Ortamdaki oksijen konsantrasyonu belirli olduğunda, sensörün çıkış akımı uygulanan voltajın artmasıyla artmaz, ancak oksijen konsantrasyonu altındaki limit akım değeri olarak adlandırılan ve genellikle birinci limit akım aşaması I1 olarak bilinen sabit bir değere ulaşır. Bu prensibe göre, limit akım sensörünü su buharı içeren bir ortama yerleştirip uygulanan voltajı artırarak, oksijen molekülleri ve iyonize olmuş su moleküllerini içeren önemli bir limit akım değeri ölçülebilir; bu değer genellikle ikinci limit akım aşaması I2 olarak bilinir. İki limit akım değeri, sırasıyla ortamdaki oksijen içeriği ve su buharı içeren oksijen içeriğiyle orantılıdır. Zirkonyum oksitin katot ve anot üzerindeki mikro reaksiyon mekanizması aşağıdaki gibidir:

katot tarafı O2+4e-→2O2- (1)

H2O+2e-→H2+O2- (2)

Anot tarafı O2-→1/2O2+2e- (3)

Şekil 2. Sınır akımı tipi zirkonyum oksit sensör yapısı.

Sensörün gaz difüzyon deliği limiti Fick kuralına göre, oksijen ve su buharının difüzyon katsayılarının eşit olduğu varsayımı altında, iki limit akım değeri aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

Formülde: F, Faraday sabitidir.

D, karışım gazı difüzyon katsayısıdır.

S, zirkonyum oksit akım sınırlayıcı deliğinin (difüzyon deliği) alanıdır.

P, karışım gazının toplam basıncıdır.

R, gaz sabitidir.

T, zirkonyum oksitin çalışma sıcaklığıdır (K).

L, gaz difüzyon deliğinin uzunluğudur.

Baca gazındaki oksijen içeriği birinci limit akımına göre, baca gazındaki nem ise ikinci limit akımı ile birinci limit akımı arasındaki farka göre hesaplanabilir. Bu nedenle, limit akımı prensibine dayalı zirkonyum oksit nem ölçüm cihazının diğer nem ölçüm cihazlarına kıyasla belirgin bir avantajı vardır; çünkü doğası gereği oksijen ölçümü yapar ve nemi ölçmek için oksijen ölçümü de gereklidir. Kullanıcı için oksijen ölçüm analizörü kurmaya gerek yoktur, bir nem ölçüm cihazı aynı anda iki ölçüm verisi sağlayabilir.

Sınır akımı zirkonyum oksit prensibine dayalı nem ölçerlerin gerçek kullanımından elde edilen avantajlar arasında küçük boyut, yüksek ölçüm doğruluğu, normal sıcaklıktan 500°C'ye kadar baca gazı sıcaklığında kullanılabilmesi ve yüksek maliyet performansı yer almaktadır. Dezavantajı ise cihazın sıvı suda veya sıvı halde çalıştırılamaması ve silikon dioksit veya arsenik ve kurşun gibi ağır metaller içeren baca gazı ortamında zehirlenmeye yatkın olmasıdır.

Aslında, zirkonyum oksit katalitik elektrottan bahsedildiğinde, Çin'deki kömürün yüksek kükürt içeriği nedeniyle kükürt giderme için genellikle platin elektrot gereklidir. Bununla birlikte, kükürt giderme kulesinin ön ve arka uçlarında baca gazının izlenmesi sıklıkla gereklidir, ancak zirkonya platin elektrot yüksek SO2 içeriğine sahip baca gazı ortamında uzun süre çalışırsa, kullanım ömrü de büyük ölçüde etkilenecektir. Bu nedenle, kükürt giderme girişi, doğal gaz kükürt geri kazanımı, atık yakma vb. gibi pratik kullanımlarda, platin elektrot kullanılan zirkonyum oksit elektrot kolayca korozyona uğrar. Son yıllarda, aşındırıcı atmosferin sınır akım tipi zirkonyanın kullanım ömrü üzerindeki etkisini çözmek için, Şanghay Chang Ai Elektronik Teknolojisi Şirketi'nin PC18 nem vericisinde kullanılan zirkonya sensörü cesur bir yenilik yapmıştır. Zirkonya katalitik elektrotun seramik elektrotla değiştirilmesiyle, tıbbi atık yakma, petrokimya endüstrisi, VOC vb. koşullar altında sınırlı akım tipi zirkonyanın uygulanması sorunu tek seferde çözülmüştür.

PC18 Nem verici

3. Darbeli jet yöntemi (kuru-ıslak top)

Kuru-ıslak top yöntemiyle nem ölçümünün temel prensibi: Baca gazının sıcaklığını kuru topun sıcaklığı olarak ölçmek için bir sıcaklık sensörü kullanılır; bir ölçüm havuzuna belirli miktarda su yüklenir, ardından ölçüm havuzuna bir sıcaklık sensörü yerleştirilir ve bu sensörün su yüzeyinin altında olması gerekir; daha sonra baca gazı sürekli olarak ölçüm havuzundaki sıcaklık sensörünün hemen üzerindeki su yüzeyine çarpar ve ölçülen sıcaklık ıslak topun sıcaklığı olarak alınır. Isı transferi prensibi ve termodinamik teorisine göre, aşağıdaki matematiksel formül türetilebilir:

formül olarak:

bağıl nem %

Islak Küre Sıcaklığında Doymuş Su Basıncı

Kuru top sıcaklığında doymuş su basıncı

atmosfer basıncı

kuru ve ıslak top sıcaklıkları arasındaki fark

sabit, rüzgar hızıyla ilgili

Yukarıdaki matematiksel formüle göre, baca gazındaki nemi ölçmek için kullanılan darbe enjeksiyon yönteminin, baca gazı sıcaklığının dolaylı ölçümüyle gerçekleştirildiğini açıkça görebiliriz. Sıcaklık ölçüm teknolojisi nispeten olgun ve güvenilirdir. Çalışma koşulları çok kötü olsa bile, sıcaklık sensörünün değişimi çok hızlıdır.

Doğal gaz kükürt geri kazanım tesisi, gıda işleme tesisi, tekstil fabrikası, çöp yakma tesisi vb. pratik uygulama durumlarına göre, darbe püskürtme yöntemi (kuru-ıslak top) ile çalışan yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazı uzun ömürlüdür (şu anda beş yıldır aralıksız olarak kullanılmaktadır ve hala normal şekilde çalışmaktadır), ölçülen veriler doğru ve güvenilirdir, zorlu ortamlara güçlü uyum sağlar, geniş sıcaklık adaptasyon aralığına sahiptir ve az bakım gerektirir. Dezavantajı ise fiyatının yüksek olması, hacminin büyük olması ve düzenli olarak su eklenmesi gerekliliğidir.

Darbe enjeksiyon yöntemi, kuru ve ıslak topun çalışma prensibine dayanmasına rağmen, meteoroloji departmanlarının havadaki bağıl nemi ölçmek için kullandığı yaygın bir cihaz değildir. Örneğin, Şanghay Chang Ai Elektronik Teknoloji Şirketi'nin CI-PC39 modeli, yukarıdaki ölçüm etkisini elde etmek için yepyeni, hatta yenilikçi bir tasarıma sahiptir.

CI-PC39 Nem analizörü

4. Kızılötesi soğurma yöntemi

Geniş spektrumlu kızılötesi (IR) soğurma, su buharı moleküllerinin belirli kızılötesi dalga boylarına seçici soğurmalarının konsantrasyonlarıyla değiştiği prensibine dayanmaktadır. Bununla birlikte, Fowle'un 1912'de nemin kızılötesi ölçümünü ilk kez önermesinden bu yana, geniş spektrumlu soğurma teknolojisinin geleneksel kızılötesi soğurma teknolojisiyle sınırlı olması nedeniyle nem ölçümü yavaş ilerlemiştir. 1990'larda yarı iletken lazer spektroskopisinin (DLAS) hızlı gelişimiyle, baca gazı için çevrimiçi yüksek sıcaklık ve nem analiz cihazı geliştirilmiştir. Geleneksel kızılötesi soğurma spektroskopisiyle karşılaştırıldığında, DLAS tekniği dar spektrumlu soğurmaya aittir, çünkü yarı iletken lazer kaynağının spektral genişliği (0,0001 nm'den az) gaz soğurma çizgisinin genişliğinden çok daha küçüktür. Her gaz molekülünün kendine özgü bir soğurma spektrumu vardır; ışık kaynağının emisyon spektrumu gaz molekülünün soğurma spektrumuyla çakıştığında, soğurma yoğunluğu gazın hacim oranıyla ilişkilidir. İlgili veri tabanına baktığımızda, su gazının 1390 nm dalga boyuna sahip soğurma çizgisine yakın bölgelerde çok güçlü bir soğurma gösterdiğini ve diğer gazların belirgin bir girişim soğurmasının olmadığını görüyoruz. I0 yoğunluğuna sahip bir yarı iletken lazer, ölçülecek gazdan geçtiğinde, eğer ışık kaynağının spektrumu gaz molekülünün soğurma spektrumunu kapsıyorsa, ışık gazdan geçerken zayıflar. Lambert-Beer yasasına göre, çıkış ışığının yoğunluğu I ile gelen ışığın yoğunluğu I0 ve gaz hacim konsantrasyonu arasındaki ilişki şöyledir:

Formül (1)'de, I ve I0 sırasıyla çıkış ve gelen ışık şiddetidir; α(λ) belirli bir dalga boyunda birim konsantrasyon ve birim uzunluğa sahip ortamın soğurma katsayısıdır. C ölçülecek gazın konsantrasyonu, L ise optik yoldur.

Daha yüksek hassasiyet elde etmek ve lazerin 1/f gürültüsünü azaltmak için, DLAS tekniği genellikle modülasyon spektrumu algılama tekniğine ihtiyaç duyar. Bu teknik, yüksek frekanslı modülasyon ile lazer gürültüsünün ölçüm üzerindeki etkisini önemli ölçüde azaltır. Aynı zamanda, faz duyarlı algılama tekniğinde (harmonik bileşenlerin algılanması) kullanılan faz duyarlı dedektör için daha büyük bir zaman sabiti ayarlanarak dar bant genişliğine sahip bir bant geçiren filtre elde edilebilir, böylece gürültü bant genişliği etkili bir şekilde sıkıştırılır.

DLAS tarafından geliştirilen baca gazı yüksek sıcaklık nem analizörü baca gazı ölçümünde kullanıldığında, buluş temassız ölçüm yöntemine aittir; bu sayede sensör zehirlenmesi veya ortam gazından etkilenme riski ortadan kalkar. Buluşun avantajları arasında hızlı tepki süresi, yüksek ölçüm verisi doğruluğu, uzun kalibrasyon süresi ve neredeyse hiç bakım gerektirmemesi yer almaktadır. Dezavantajı ise fiyatının yüksek olmasıdır.

5.gelişim trendi

Hepimizin bildiği gibi, çevrimiçi analitik cihazların temel bileşenleri olan sensörler konusunda, ülkemizin geç başlaması nedeniyle temel sanayisi zayıftır. Yıllar süren gelişmenin ardından yerli analitik cihaz üreticileri temel teknolojiyi edinmede büyük ilerleme kaydetmiş olsa da, yabancı ülkelerle karşılaştırıldığında hala çok belirgin bir fark bulunmaktadır. Yerli analitik cihaz üreticilerinin çoğu, yabancı sensörler satın alıp ikinci bir cihaz tasarlayarak homojen fiyat rekabeti için pazara girmektedir ve bu durum, analitik cihazların düşük segment pazarının (yüksek segment pazarı neredeyse tamamen yabancı ülkeler tarafından tekelleştirilmiştir) oluşmasına neden olmakta ve uzun vadede yerli analitik cihaz sanayisinin gelişimini etkileyecek veya geciktirecektir.

Şu anda, fiyat nedenlerinden dolayı, çevrimiçi yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazları piyasada ağırlıklı olarak direnç kapasitans yöntemi ve limit akım tipi zirkonyum oksit kullanmaktadır; darbe püskürtme yöntemi (kuru-ıslak top) ve kızılötesi spektrum absorpsiyon yöntemine dayalı yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazlarının pazar payı çok düşüktür. Şanghay Chang Ai Elektronik Teknolojisi A.Ş., uzun süreli ve aralıksız çabalarıyla, yukarıda bahsedilen çevrimiçi baca gazı yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazı limit akım tipi zirkonyum oksit sensörünü ve çekirdek bileşenlerinin (ölçüm havuzu) darbe enjeksiyon yöntemini bağımsız olarak geliştirmiştir. Çin Elektrik Bilimleri 49 gibi bazı yerli bilimsel araştırma enstitüleri de direnç kapasitans yöntemiyle yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazı sensörü üretebilmektedir, ancak performansı istikrarsızdır, endüstrileşmeden uzaktır ve şu anda pazar temelde yurt dışından tasarlanmıştır. Kızılötesi spektrum absorpsiyon yöntemiyle çalışan çevrimiçi baca gazı yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazının çekirdek bileşeni olan yarı iletken lazer diyot, yerli üreticiler tarafından üretilememektedir. Sadece Almanya, Amerika Birleşik Devletleri, Hollanda ve birkaç diğer ülke bunu üretebilmektedir. Temel teknolojinin eksikliği veya yetersizliği, çevrimiçi baca gazı yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazlarının geliştirilmesini ve ilerlemesini kısıtlamaktadır.

Gelecekte, baca gazı çevrimiçi yüksek sıcaklık nem ölçüm cihazlarının geliştirilmesi çeşitli faktörlerle kısıtlanacaktır. Yukarıdaki dört prensibe sahip nem ölçüm cihazları aynı anda var olmaya devam edecek; direnç kapasitesi yöntemi ve limit akım tipi zirkonyum oksit prensibine sahip nem ölçüm cihazlarının güvenilirliğinin ve kullanım ömrünün daha da artacağı, darbe enjeksiyon yöntemine sahip nem ölçüm cihazlarının ise hacmini daha da azaltacağı, maliyeti düşüreceği ve pazar payını artıracağı tahmin edilebilir. Kızılötesi absorpsiyonlu nem ölçer en umut vadeden yöntem olmalı ve çevrimiçi gaz analiz cihazlarının gelişim yönünü de temsil etmelidir. Ancak yerli üreticiler yarı iletken lazer diyot geliştirme ve üretimini çözemezlerse, maliyet düşürme kısıtlanacak ve pazarın gelişimini etkileyecektir. Yabancı tedarikçiler fiyatı düşürse bile, yerli işletmeler sadece yabancı işletmelerle rekabet etmek zorunda kalacak ve Çin'de düşük fiyat rekabeti ve fiyat savaşı yaşanacaktır. Yerli çevrimiçi analiz cihazları endüstri birliğinin veya ilgili devlet dairelerinin, üniversiteler, bilimsel araştırma enstitüleri ve işletmeler arasında işbirliğini teşvik etmesini, birbirlerinin avantajlarını tamamlamasını, yabancı üreticilerin tekelini en kısa sürede kırmasını ve Çin'in analiz cihazı endüstrisinin üst seviyeye doğru ilerlemesini sağlamasını umuyoruz.