Ứng dụng công nghệ giám sát trực tuyến độ ẩm khí thải -2
Dòng ion (Zirconia)
Dựa trên nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu và nhiều thí nghiệm, người ta đã xác nhận rằng cảm biến dòng ion có thể đo độ ẩm chính xác. Việc đo độ ẩm có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào cực âm và cực dương của cảm biến. Phát hiện này giải quyết vấn đề các cảm biến độ ẩm thông thường không thể hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao (ví dụ như trên 100°C).
Các điện cực bạch kim được phủ lên cả hai mặt của ZrO2 ổn định. Mặt cực âm được lắp ráp với một nắp có các lỗ khuếch tán khí để tạo thành khoang cực âm. Ở một nhiệt độ nhất định, một điện áp hoạt động cụ thể được đặt vào giữa cực dương và cực âm của ZrO2, sau đó các phân tử oxy bên trong khoang sẽ nhận electron tại cực âm để tạo thành các ion oxy (O2-). Các ion O2- di chuyển đến cực dương thông qua các lỗ trống oxy trong ZrO2, giải phóng electron và được chuyển đổi thành các phân tử oxy được phóng ra ngoài. Hiện tượng này được gọi là bơm điện hóa. Bằng cách này, oxy trong khoang cực âm liên tục được bơm ra khỏi khoang bởi chất điện phân ZrO2, và các ion oxy chảy từ cực âm qua ZrO2 đến cực dương, tạo thành dòng điện ion oxy. Khi nồng độ oxy trong môi trường đo được không đổi, dòng điện đầu ra của cảm biến zirconia không còn tăng khi điện áp đặt vào tăng mà đạt đến một giá trị không đổi. Giá trị dòng điện không đổi này được gọi là giá trị dòng điện giới hạn cho nồng độ oxy đó, mà chúng ta gọi là giá trị dòng điện giới hạn thứ nhất (như thể hiện trong Hình 1-A). Dựa trên nguyên lý hoạt động này, khi môi trường đo chứa hơi nước, việc tăng điện áp hoạt động sẽ làm cho hơi nước bị ion hóa thành các ion oxy. Tương tự, khi nồng độ hơi nước trong môi trường đo không đổi, cảm biến zirconia sẽ xuất ra một giá trị dòng điện không đổi, được gọi là giá trị dòng điện giới hạn thứ hai (như thể hiện trong Hình 1-B). Giá trị dòng điện giai đoạn đầu I1 và giá trị dòng điện giai đoạn thứ hai I2 tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của oxy và áp suất riêng phần của oxy trong môi trường chứa hơi nước.
Các phản ứng tại cực âm và cực dương của cảm biến diễn ra như sau:
Hình (2) Nguyên lý dòng ion
Theo định luật Fick bị giới hạn bởi các lỗ khuếch tán khí của cảm biến, giả sử hệ số khuếch tán của oxy bằng với hệ số khuếch tán của hơi nước, dòng điện giới hạn thứ nhất I1 và dòng điện giới hạn thứ hai I2 được biểu thị lần lượt bằng các công thức sau:
Trong công thức:
F là hằng số Faraday, S là diện tích của các lỗ khuếch tán.
D là hệ số khuếch tán của các phân tử khí hỗn hợp, P là áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí.
PO2 là áp suất riêng phần của oxy, PH2O là áp suất riêng phần của hơi nước.
R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối.
L là chiều dài của các lỗ khuếch tán khí, 0,21 là hàm lượng oxy trong không khí.
Đường cong biểu thị mối quan hệ giữa giá trị dòng điện giới hạn ion và nồng độ oxy được thể hiện trong Hình (3):
Hàm lượng oxy trong khí thải có thể được tính toán dựa trên dòng điện giới hạn thứ nhất, trong khi độ ẩm trong khí thải có thể được tính toán theo hiệu số giữa dòng điện giới hạn thứ hai và dòng điện giới hạn thứ nhất. Do đó, máy đo độ ẩm sử dụng nguyên lý zirconia dòng điện giới hạn có ưu điểm vượt trội so với các máy sử dụng nguyên lý khác. Vì chức năng cốt lõi của nó là phát hiện oxy và đo oxy là điều kiện tiên quyết để kiểm tra độ ẩm, người dùng không cần lắp đặt máy phân tích oxy riêng biệt. Một máy đo độ ẩm duy nhất có thể cung cấp cả hai bộ dữ liệu đo cùng một lúc.
>> Máy phân tích độ ẩm dòng ion 3D kiểu hút
Máy phân tích độ ẩm nhiệt độ cao kiểu hút chân không được sản xuất bởi một số công ty tại Trung Quốc. Ở đây, sản phẩm của Chang Ai được giới thiệu như một ví dụ.
Để giải quyết tác động của môi trường ăn mòn lên điện cực cảm biến, Chang Ai đã cải tiến vật liệu điện cực xúc tác zirconia-platinum và áp dụng vật liệu điện phân mới thông qua công nghệ tổng hợp nano. Phương pháp này giải quyết vấn đề ăn mòn điện cực và tuổi thọ ngắn trong khí thải có hàm lượng SO2 cao từ các nhà máy đốt rác thải, nung quặng, nhà máy gốm sứ và nhà máy điện. Hơn nữa, dựa trên nền tảng của các cảm biến dòng điện giới hạn, Chang Ai đã thực hiện một bước đột phá táo bạo bằng cách tích hợp đồng thời hai cảm biến oxy trên một chip duy nhất, giải quyết hoàn toàn thách thức của một cảm biến oxy đơn lẻ không thể đo đồng thời oxy động và oxy ướt điện phân.
Thiết bị dòng ion 3D sử dụng một đơn vị cảm biến dòng ion kép. Một đơn vị đo hàm lượng hơi nước và oxy, trong khi đơn vị còn lại đo hàm lượng oxy tinh khiết. Bằng cách áp dụng các điện áp khác nhau để ion hóa các ion oxy và trộn chúng với hơi nước, hàm lượng ion oxy và hơi nước có thể được thu được thông qua phép đo dòng điện. Với khả năng chịu nhiệt cao và chống ô nhiễm, cảm biến này có thể hoạt động ổn định trong môi trường khí khắc nghiệt. Nguyên lý và cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 4.
Hình (4) Cấu trúc của cảm biến độ ẩm dòng ion
Máy phân tích độ ẩm dòng ion 3D CI-PC196 bao gồm đầu dò lấy mẫu nhiệt độ cao và bộ điều khiển thiết bị (như thể hiện trong Hình 5). Bộ điều khiển hỗ trợ các chức năng xả ngược tự động và hiệu chuẩn tự động. Đầu dò được trang bị chức năng gia nhiệt để ngăn ngừa sự ngưng tụ hình thành bên trong, và đầu cuối được gắn bộ lọc bằng thép không gỉ thiêu kết hoặc gốm.
Hình (5) CI-PC196 Máy đo độ ẩm nhiệt độ cao
Thiết bị dò bao gồm một bộ lọc sơ cấp được đặt trong ống khói, một ống lấy mẫu, một bộ phận thực thi làm sạch và một cảm biến đặt ở đầu có nhiệt độ bình thường bên ngoài ống khói. Khí thải ở nhiệt độ cao được hút ra khỏi ống khói bằng một bơm phun dẫn động bằng khí nén. Khí thải đi vào qua cửa hút của cảm biến và thoát ra từ cửa thoát khí. Bằng cách điều khiển áp suất và lưu lượng của khí nén, lưu lượng khí được hút vào có thể được điều chỉnh. Thiết bị dò là một cảm biến oxy kiểu dòng điện với nguyên lý hoạt động khác với các đầu dò zirconia kiểu nồng độ cắm trực tiếp. Trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu zirconia (ZrO2) trở nên dẫn điện do sự di chuyển của các ion oxy. Khi nhiệt độ vượt quá 650°C, các ion oxy di chuyển; khi nồng độ oxy tăng lên, dòng điện tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng của dòng ion.
So với các cảm biến độ ẩm polymer, điện phân và gốm thông thường, thiết bị này hoàn toàn khác biệt về thiết kế cấu trúc, phương pháp thử nghiệm và nguyên lý hoạt động, do đó mang lại những ưu điểm vượt trội: nó thể hiện khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tuyệt vời (cảm biến hoạt động ở nhiệt độ trên 600°C), cho phép sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao trên 200°C. Nó đo hàm lượng ẩm dựa trên lượng hơi nước bị phân hủy dưới điện áp phân hủy, do đó mang lại độ chọn lọc vượt trội. Hơn nữa, nguyên lý này có thể đo độ ẩm và nồng độ oxy đầu ra đồng thời. Nó được sử dụng rộng rãi trong bảo vệ môi trường, in ấn và nhuộm, gỗ, vật liệu xây dựng, sản xuất giấy, hóa chất, sợi và dược phẩm, cũng như các lĩnh vực chế biến và bảo quản thực phẩm, thuốc lá, rau quả và ngũ cốc.
>> Phương pháp oxy ướt-khô
Khi sử dụng cảm biến oxy được trang bị trong hệ thống CEMS để đo hàm lượng oxy trong khí thải trước và sau khi khử ẩm, và tính toán độ ẩm trong khí thải, độ ẩm của khí thải được tính bằng công thức sau:
Trong Công thức (1), X´O2 biểu thị phần trăm thể tích oxy trong khí thải ẩm, %, và Xo2 biểu thị phần trăm thể tích oxy trong khí thải khô, %.
Ví dụ: Nếu nồng độ O2 trong khí thải ẩm là 6,8%, và nồng độ O2 trong khí thải khô sau khi khử ẩm là 7,4%, gọi Xsw là hàm lượng ẩm của khí thải, thì
Vấn đề chính của phương pháp đo oxy khô-ướt là nó yêu cầu hai thiết bị để đo oxy khô và oxy ướt riêng biệt. Sai số phát sinh bao gồm sai số lấy mẫu do các điểm lấy mẫu không nhất quán, cũng như sai số chồng chất do sự trôi lệch phép đo trong chính hai thiết bị. Những sai số này rất khó khắc phục bằng phương pháp này.
Quang phổ hồng ngoại
Trong tự nhiên, mọi chất khí đều hấp thụ ánh sáng có bước sóng xác định. Khi một chùm ánh sáng trắng (chứa tất cả các thành phần bước sóng) đi qua chất khí, ánh sáng thoát ra sẽ yếu đi hoặc thiếu đi các thành phần bước sóng xác định đó. Trong quang phổ học, các thành phần của một chất có thể được xác định dựa trên thành phần của các vạch phổ hấp thụ khí. Bằng cách phân tích mức độ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng xác định bởi các vạch phổ hấp thụ cụ thể của một chất khí cụ thể, ta có thể tính toán nồng độ của chất khí đó.
Có hai phương pháp chính để đo độ ẩm dựa trên quang phổ hấp thụ cận hồng ngoại: Quang phổ cộng hưởng khoang (CRDS) và Quang phổ hấp thụ diode laser điều chỉnh được (TDLAS). Quang phổ hấp thụ hồng ngoại dựa trên nguyên lý rằng sự hấp thụ chọn lọc các bước sóng hồng ngoại cụ thể bởi các phân tử hơi nước thay đổi theo nồng độ của chúng. Tuy nhiên, kể từ khi Fowle lần đầu tiên đề xuất phép đo độ ẩm bằng hồng ngoại vào năm 1912, tiến bộ trong đo độ ẩm đã diễn ra chậm do những hạn chế của các kỹ thuật hấp thụ hồng ngoại truyền thống (hấp thụ băng rộng). Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang phổ laser bán dẫn (TDLAS) vào những năm 1990 đã tạo điều kiện cho sự ra đời của các máy phân tích độ ẩm khí thải nhiệt độ cao trực tuyến hiện nay. So với quang phổ hấp thụ hồng ngoại truyền thống, TDLAS sử dụng hấp thụ băng hẹp, vì độ rộng phổ của nguồn laser bán dẫn (nhỏ hơn 0,0001 nm) nhỏ hơn nhiều so với độ rộng của các vạch hấp thụ khí.
Mỗi phân tử khí đều có phổ hấp thụ riêng. Sự hấp thụ xảy ra khi phổ phát xạ của nguồn sáng trùng khớp với phổ hấp thụ của các phân tử khí, và cường độ hấp thụ tỷ lệ thuận với thể tích phần trăm của khí. Khi một chùm tia laser bán dẫn có cường độ I0 đi qua khí cần đo, ánh sáng sẽ bị suy giảm khi đi qua khí nếu phổ của nguồn sáng bao phủ phổ hấp thụ của các phân tử khí. Theo định luật Lambert-Beer, mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng phát ra I, cường độ ánh sáng tới I0 và nồng độ thể tích khí được biểu thị như sau:
Trong công thức:
I0: Cường độ ánh sáng ban đầu;
I: Cường độ ánh sáng còn lại sau khi bị hấp thụ bởi hơi nước (H2O) trong mẫu khí;
S: Hệ số hấp thụ của nước (H2O) đối với tia laser ở bước sóng cụ thể;
L: Chiều dài đường truyền quang;
N: Số lượng phân tử hơi nước dọc theo đường truyền quang, tương quan với hàm lượng hơi nước trong khí mẫu.
Do đó, hàm lượng nước trong mẫu khí có thể được xác định bằng cách đo cường độ ánh sáng ban đầu và cường độ ánh sáng sau khi hấp thụ. Vì bước sóng laser được chọn là đặc thù, kết quả đo hầu như không bị ảnh hưởng bởi các loại khí khác. Ngoài ra, phép tính sử dụng tỷ lệ I/I0 có thể loại bỏ hiệu quả ảnh hưởng do sự thay đổi cường độ nguồn sáng, độ phản xạ gương và các thông số điện.
Để đạt được độ nhạy phát hiện cao hơn hoặc cải thiện độ nhạy hiện tại, và để giảm nhiễu 1/f của laser, công nghệ TDLAS thường yêu cầu sử dụng phương pháp phát hiện quang phổ điều biến. Kỹ thuật này làm giảm đáng kể tác động của nhiễu laser lên phép đo thông qua điều biến tần số cao. Đồng thời, bằng cách thiết lập hằng số thời gian lớn cho bộ dò nhạy pha được sử dụng trong phát hiện nhạy pha (phát hiện các thành phần hài), có thể thu được bộ lọc thông dải rất hẹp, do đó nén băng thông nhiễu một cách hiệu quả. Máy phân tích độ ẩm nhiệt độ cao khí thải được phát triển bằng công nghệ TDLAS thực hiện phép đo không tiếp xúc khi đo khí thải, loại bỏ hiện tượng nhiễm độc cảm biến và nhiễu từ khí nền. Chúng có ưu điểm là thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác đo cao, chu kỳ hiệu chuẩn dài và hoạt động gần như không cần bảo trì, trong khi nhược điểm chính là chi phí cao. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp hấp thụ hồng ngoại để đo độ ẩm khí thải, cần phải tránh nhiễu từ các bước sóng nhạy cảm với CO2/SO2/NOX, điều này đặt ra một số thách thức. Kết hợp với chi phí cao của thiết bị, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng để đo độ ẩm khí thải.
So sánh các nguyên tắc khác nhau
| Các mặt hàng so sánh | Phương pháp phun tia dòng chảy không đổi | Dòng ion hai ngăn | Phương pháp Zirconia | Phương pháp điện trở-điện dung | TLDAS |
| TLDAS | |||||
| Phạm vi đo | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% | 0-100% |
| Thời gian phản hồi | T90＜90S (10～190g/kg) | T90＜30S | T90＜30S | T90＜30S | T90＜10S |
| Trưng bày | Nhiệt độ điểm sương: 20～100℃ | Nồng độ oxy: 0–100% | Tỷ lệ thể tích (H2O): 0–100% | Độ ẩm tương đối (RH%) | Độ ẩm tương đối (RH%) |
| Tỷ lệ thể tích: 2～100% | Tỷ lệ thể tích (H2O): 0–100% | Tỷ lệ thể tích 0–100% | Tỷ lệ thể tích 0–100% | ||
| Độ ẩm tuyệt đối: 15～1000 g/kg | |||||
| Áp suất hơi nước: 10～1000 hPa | |||||
| Giá trị hiển thị | Giá trị tuyệt đối | Giá trị tuyệt đối | Giá trị tuyệt đối | Giá trị tương đối | Giá trị tương đối |
| Nhiệt độ | 0～300℃ | 0～700℃ | 0～700℃ | 0～180℃ | 0～240℃ |
| Độ chính xác | ±2%F.S | ±2%F.S | ±3%F.S | ±2%F.S | ±1.0%F.S； |
| Khả năng kháng hóa chất | Kháng cự | Kháng cự | Vừa phải | Không kháng cự | Kháng cự |
| Khả năng áp dụng | Bất kỳ hỗn hợp khí nào | Khí thải, hỗn hợp khí nói chung | Hỗn hợp không khí và hơi nước | Khí thải, hỗn hợp khí nói chung | Khí thải, hỗn hợp khí nói chung |
| Phương pháp đo lường | Lấy mẫu liên tục | Lấy mẫu tại chỗ/liên tục | Tại chỗ | Lấy mẫu tại chỗ/liên tục | Lấy mẫu tại chỗ/liên tục |
| Tuổi thọ sử dụng | 10 năm | 1–2 năm | 1–2 năm | 0,6–2 năm | ≥2 năm |
| Sự định cỡ | Không cần hiệu chuẩn, không bị trôi lệch | Cần thiết (hiệu chuẩn oxy) | Cần thiết (hiệu chuẩn oxy) | Không hỗ trợ hiệu chuẩn tại chỗ (cần máy tạo độ ẩm chuyên nghiệp) | Không hỗ trợ hiệu chuẩn tại chỗ (cần máy tạo độ ẩm chuyên nghiệp) |
