Ứng dụng công nghệ giám sát trực tuyến độ ẩm khí thải
Công nghệ cảm biến pin nhiên liệu
Khí thải từ các loại lò đốt, nồi hơi công nghiệp và thương mại đã gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng. Giám sát các khí độc hại trong khí thải là một khía cạnh quan trọng trong nỗ lực bảo vệ môi trường. Hệ thống giám sát phát thải liên tục (CEMS) đã ra đời để đáp ứng nhu cầu này, thường định lượng các chất gây ô nhiễm trong khí thải dựa trên điều kiện khí thải khô. Tuy nhiên, khí thải công nghiệp không phải là khí khô lý tưởng và luôn chứa một lượng hơi ẩm nhất định. Do đó, độ ẩm của khí thải đã trở thành một thông số đo lường thiết yếu trong việc giám sát nguồn ô nhiễm khí thải, và độ chính xác của phép đo ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán tổng lượng phát thải và nồng độ chất gây ô nhiễm, cũng như đánh giá hiệu quả của hệ thống lọc khí thải.
Ngoài ra, việc hiệu chuẩn độ ẩm cũng là một thách thức đáng kể. Điều này là do khó khăn trong việc chế tạo các máy tạo độ ẩm ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến khả năng truy xuất nguồn gốc của các giá trị đo từ các thiết bị đo độ ẩm trực tuyến. Để kiểm tra và hiệu chuẩn máy đo độ ẩm khí thải, điều cần thiết là phải có các thiết bị có khả năng tạo ra các nguồn độ ẩm chuẩn, cũng như các chuẩn và điểm chuẩn độ ẩm. Các phương pháp đo độ ẩm có khả năng xác định độ ẩm tuyệt đối có thể được sử dụng làm điểm chuẩn độ ẩm, và các loại khí có mức độ ẩm đã biết cũng có thể được sử dụng làm điểm chuẩn độ ẩm. Tiêu chuẩn "Xác định các hạt và phương pháp lấy mẫu các chất ô nhiễm dạng khí phát thải từ khí thải của nguồn cố định" (GB/T 16157-1996) quy định ba phương pháp đo độ ẩm khí thải: phương pháp bầu ướt-bầu khô, phương pháp ngưng tụ và phương pháp trọng lượng. Đóng vai trò là các phương pháp tham chiếu để phát hiện độ ẩm khí thải, ba phương pháp này có thể được sử dụng để hiệu chuẩn máy đo độ ẩm khí thải. Bên cạnh đó, máy tạo độ ẩm có thể tạo ra khí ẩm ổn định trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cụ thể, và cũng có thể được sử dụng để hiệu chuẩn máy đo độ ẩm khí thải. Với sự phát triển của công nghệ và sự chú trọng ngày càng tăng của quốc gia vào bảo vệ môi trường, hiện nay có bốn phương pháp chính để đo độ ẩm khí thải ở nhiệt độ cao trực tuyến tại Trung Quốc: phương pháp phun dòng chảy không đổi (nhiệt độ bầu ướt-bầu khô), phương pháp điện trở-tụ điện, phương pháp dòng ion dựa trên zirconia (dòng điện giới hạn) và phương pháp hấp thụ quang phổ hồng ngoại.
Giới thiệu về các phương pháp đo độ ẩm khí thải
>> Phương pháp bầu ướt-khô
Phương pháp bầu ướt và bầu khô đo độ ẩm tương đối của không khí dựa trên hiệu ứng chênh lệch giữa nhiệt độ bầu ướt và bầu khô. Các phân tử nước bay hơi từ bề mặt bầu ướt thành hơi nước, cần hấp thụ nhiệt ẩn hóa hơi. Sự bay hơi liên tục tiếp tục hấp thụ nhiệt từ bề mặt và làm mát bầu ướt. Mức độ làm mát được xác định bởi độ ẩm tương đối của không khí xung quanh, áp suất khí quyển và tốc độ gió. Nếu áp suất khí quyển và tốc độ gió không đổi, độ ẩm tương đối càng cao thì tốc độ bay hơi nước từ bề mặt bầu ướt càng thấp, và nhiệt độ bề mặt bầu ướt (là hiệu số giữa nhiệt độ bầu ướt và nhiệt độ bầu khô) càng nhỏ; ngược lại, hiệu số giữa nhiệt độ bầu ướt và bầu khô càng lớn. Theo đó, bằng cách đo hiệu số giữa nhiệt độ bầu ướt và bầu khô và xác định mối quan hệ giữa độ ẩm tương đối và hiệu số nhiệt độ này, có thể tính toán được độ ẩm tương đối.2,3
>> Nguyên lý đo độ ẩm bằng phương pháp bầu ướt-bầu khô
Theo nguyên lý truyền nhiệt và truyền ẩm, khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt và ẩm, lượng nhiệt truyền Q1 từ không khí đến bầu ướt bằng nhiệt ẩn Q2 cần thiết cho quá trình bay hơi ẩm từ gạc, tức là: Q1 = Q2 (1)
Dựa trên nguyên lý truyền nhiệt: Q1=α（t-tw）F (2)
Trong công thức: α là hệ số trao đổi nhiệt giữa không khí và bề mặt nước của bầu ướt, W/m²·℃; t là nhiệt độ bầu khô, °C; tw là nhiệt độ bầu ướt, °C; F là diện tích bề mặt bầu ướt, m².
Theo nguyên lý truyền ẩm và định luật bay hơi của Dalton, khối lượng nước bay hơi tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt bão hòa hơi nước của không khí xung quanh và diện tích bay hơi, và tỷ lệ nghịch với áp suất khí quyển tại thời điểm đó. Do đó, tốc độ trao đổi ẩm[4] có thể được biểu thị như sau:
Trong công thức: W là tốc độ trao đổi ẩm, kg/s; r là nhiệt ẩn hóa hơi, J/kg; β là hệ số trao đổi ẩm, kg/(m²·s·Pa); F là diện tích bề mặt bầu ướt, m²; B là áp suất khí quyển thực tế, Pa; P´q,b là áp suất riêng phần của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ bầu ướt, Pa; Pq là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, Pa.
Được suy ra từ Công thức (1), (2) và (3):
Trong công thức: hệ số của máy đo độ ẩm không khí
Do đó, độ ẩm tương đối là:
Phương pháp bầu khô-ướt được sử dụng để giám sát khí thải từ các nguồn gây ô nhiễm thường sử dụng hai cặp nhiệt điện giống hệt nhau làm phần tử cảm biến nhiệt độ, một để đo nhiệt độ bầu khô và một để đo nhiệt độ bầu ướt. Phần tử cảm biến nhiệt độ bầu khô được đặt trong dòng khí thải chính, trong khi phần tử cảm biến nhiệt độ bầu ướt được bọc bằng vải gạc bông và được nối với một bình chứa nước. Bầu ướt và khí thải xung quanh được coi là một hệ thống duy nhất, không xét đến sự dẫn nhiệt bức xạ. Một thiết bị đo hàm lượng ẩm tự động, dựa trên nguyên lý bầu khô-ướt, sử dụng bộ vi xử lý để điều khiển các cảm biến đo và thu thập các thông số như nhiệt độ bề mặt của bầu ướt và bầu khô, cũng như áp suất trên bề mặt bầu ướt và áp suất tĩnh của khí thải. Nó tính toán áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ bề mặt bầu ướt và, kết hợp với áp suất khí quyển đầu vào, tự động tính toán hàm lượng ẩm của khí thải bằng công thức.
1-Ống khói;
2. Nhiệt kế bầu khô;
3-Nhiệt kế bầu ướt;
4-Ống lấy mẫu cách nhiệt;
5-Đồng hồ đo áp suất chân không;
6-Lưu lượng kế;
7-Bơm hút khí
>> Phương pháp phun tia dòng chảy không đổi
Phương pháp phun dòng chảy không đổi (nhiệt độ bầu ướt-bầu khô). Nguyên tắc cơ bản của phép đo độ ẩm bầu ướt-bầu khô: một cảm biến nhiệt độ (5) đo nhiệt độ khí thải làm nhiệt độ bầu khô, và một buồng đo (3) được đổ đầy một lượng nước nhất định. Nước trong bể chứa nước (1) được bơm liên tục vào buồng đo bằng bơm ống (2). Mức nước trong buồng đo được theo dõi bằng cảm biến, và áp suất bên trong buồng cũng được phát hiện bằng cảm biến để đảm bảo độ chính xác của phép đo và theo dõi chất lỏng. Một cảm biến nhiệt độ (6) được lắp đặt bên trong buồng đo và cần được đặt bên dưới mặt nước. Sau đó, khí thải được phun liên tục với tốc độ dòng chảy không đổi trực tiếp phía trên mặt nước trong buồng đo, và nhiệt độ được phát hiện được lấy làm nhiệt độ bầu ướt (xem Hình 2). Dựa trên các nguyên tắc truyền nhiệt và nhiệt động lực học, có thể suy ra công thức toán học sau:
Trong công thức
U—Độ ẩm tương đối %;
etw—Áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ bầu ướt;
et—Áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ bầu khô;
P—Áp suất khí quyển;
∆t—Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt;
A—Hằng số liên quan đến tốc độ gió.
Máy đo độ ẩm nhiệt độ cao phun tia liên tục của Chang Ai
Máy đo độ ẩm CI-PC39 của Chang Ai đã được ứng dụng thành công trong các quy trình đo nhiệt độ và độ ẩm cao, cũng như trong các quy trình liên quan đến khí ăn mòn và chứa nhiều bụi. Trong nhiều quy trình công nghiệp, việc giám sát và kiểm soát độ ẩm khí trong quy trình là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa hiệu quả năng lượng hoặc đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải. CI-PC39 là một máy đo độ ẩm quy trình được thiết kế cho các yêu cầu ứng dụng công nghiệp khắt khe nhất, bao gồm đo độ ẩm trong môi trường khắc nghiệt có khả năng chống ăn mòn (như nhà máy đốt rác thải, axit sulfuric, axit hydrofluoric hoặc nước cường toan). Nó có các đặc điểm như dữ liệu đo chính xác và đáng tin cậy, phạm vi nhiệt độ thích ứng rộng, khối lượng công việc bảo trì thấp và tuổi thọ cao. Nhược điểm của nó bao gồm giá thành cao, kích thước lớn và cần phải bổ sung nước thường xuyên.
Dựa trên công thức toán học ở trên, chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng phương pháp phun dòng điện không đổi để đo độ ẩm trong khí thải được thực hiện thông qua phép đo gián tiếp nhiệt độ khí thải. Sản phẩm tiêu biểu của nó được thể hiện trong Hình (3).
Công nghệ đo nhiệt độ tương đối hoàn thiện và đáng tin cậy. Ngay cả trong điều kiện làm việc khắc nghiệt, việc thay thế cảm biến nhiệt độ tại chỗ cũng có thể được thực hiện một cách thuận tiện. Mặc dù phương pháp phun tia liên tục là nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ bầu ướt-khô, nhưng nó không giống với các loại máy đo độ ẩm thường được các cơ quan khí tượng sử dụng trên thị trường để đo độ ẩm tương đối của không khí. Máy đo độ ẩm này đã đạt được các kết quả đo như đã nêu trên thông qua một thiết kế hoàn toàn mới - thậm chí mang tính cách mạng - và sáng tạo.
Phương pháp ngưng tụ
Nguyên lý của phương pháp ngưng tụ như sau: một lượng khí thải nhất định được lấy ra từ ống khói và dẫn qua bộ ngưng tụ. Hàm lượng hơi ẩm trong khí thải được tính bằng cách cộng tổng lượng nước ngưng tụ và lượng hơi nước có trong khí bão hòa thải ra từ bộ ngưng tụ.
● Bộ ngưng tụ, xem Hình (1)
● Thiết bị lấy mẫu bụi khói: Thiết bị này bao gồm một máy lấy mẫu bụi khói (có khả năng đo tr, tv, Pr, Qrw, cài đặt thời gian n và chức năng làm khô khí), ống lấy mẫu và bơm khí.
>> Quy trình phát hiện
● Nối bình ngưng tụ với đường ống nước lạnh hoặc đặt trực tiếp vào nước đá, sau đó kết nối toàn bộ hệ thống như hình 2 và kiểm tra toàn bộ hệ thống xem có rò rỉ khí hay không;
● Phương pháp kiểm tra rò rỉ khí: bịt kín ống cao su giữa ống lấy mẫu và bình ngưng, sau đó khởi động bơm khí. Khi áp suất âm hiển thị trên đồng hồ đo áp suất trước lưu lượng kế đạt 6,6 kPa (50 mmHg), bịt kín ống cao su giữa lưu lượng kế và bơm khí và ngừng bơm. Nếu kim chỉ thị của đồng hồ đo áp suất không giảm quá 0,2 kPa (1,5 mmHg) trong vòng 1 phút, hệ thống kín khí.
Hình (2) Hệ thống đo và lấy mẫu độ ẩm
| Phản ứng khử catốt | O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH |
| Phản ứng oxy hóa anot | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Như có thể thấy từ các phương trình phản ứng điện cực ở trên, không có sự tiêu hao tế bào điện phân hoặc điện cực. Do đó, người dùng không cần thay thế điện cực hoặc tế bào điện phân trong quá trình hoạt động; họ chỉ cần định kỳ bổ sung nước cất và chất điện phân (chất điện phân giảm do bay hơi tự nhiên). Điều này khác với các cảm biến oxy của pin nhiên liệu đã đề cập ở trên, thường cần được thay thế sau mỗi 1 đến 2 năm.
Khi giới thiệu các cảm biến oxy loại pin nhiên liệu kiềm, cần nhấn mạnh rằng chúng không được sử dụng trong các ứng dụng mà khí cần đo có chứa các thành phần axit. Cảm biến oxy điện phân Delta F sử dụng dung dịch KOH kiềm làm chất điện phân. Để khắc phục sự nhiễu do khí axit gây ra và ngăn ngừa sự ăn mòn điện cực, một cặp điện cực phụ Stab-EL được thiết kế bên trong cảm biến. Chức năng của các điện cực phụ này là loại bỏ các khí có hại này sau khi khí mẫu chứa khí axit đi vào buồng điện phân, do đó ngăn ngừa hư hỏng cảm biến và đảm bảo độ chính xác của các phép đo của máy phân tích.
Hình 6-4 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến oxy vết Delta F
