Giới thiệu và phát triển ứng dụng của máy phân tích nhiệt độ và độ ẩm cao trực tuyến khí thải.

Giới thiệu và phát triển ứng dụng máy phân tích nhiệt độ và độ ẩm cao trực tuyến khí thải.

Lời tựa

Việc đo độ ẩm khí thải trong khí thải của nguồn ô nhiễm cố định chủ yếu nhằm thu được hàm lượng oxy khô để tính toán hàm lượng thực tế của khí thải và khí thải gây ô nhiễm. Do nhiệt độ cao của khí thải ẩm, lượng bụi lớn và sự khác biệt lớn về thành phần khí thải của lò hơi hoặc lò nung công nghiệp được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp như nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa dầu, nhà máy đốt rác, nhà máy luyện thép, v.v., ngoài ra, việc đo độ ẩm trên thế giới là một vấn đề khó khăn, do đó việc phát hiện độ ẩm khí thải trực tuyến rất khó khăn. Trong những năm gần đây, việc đo nhiệt độ và độ ẩm cao của khí thải trong nước chủ yếu được thực hiện thủ công, tức là theo yêu cầu của tiêu chuẩn GB/T 16157-1996 "Phương pháp xác định chất rắn lơ lửng và lấy mẫu chất gây ô nhiễm dạng khí trong khí thải của nguồn ô nhiễm cố định", phương pháp cân, phương pháp ngưng tụ và phương pháp quả cầu khô-ướt được lựa chọn để xác định, và giá trị trung bình được nhập vào hệ thống CEMS. Với sự phát triển và tiến bộ của công nghệ cùng với sự quan tâm ngày càng tăng đối với bảo vệ môi trường quốc gia, hiện nay tại Trung Quốc có bốn phương pháp đo trực tuyến nhiệt độ và độ ẩm cao của khí thải: 1. Phương pháp điện trở-tụ điện 2. Phương pháp dựa trên nguyên lý oxit zirconium kiểu dòng điện giới hạn 3. Phương pháp phun va đập (bóng khô và bóng ướt) 4. Phương pháp hấp thụ quang phổ hồng ngoại.

1. Phương pháp điện trở-điện dung

Phương pháp điện trở-tụ điện được sử dụng trong đo nhiệt độ và độ ẩm cao của khí thải ở Trung Quốc là phương pháp điện dung. Các cảm biến được sử dụng trong phương pháp này chủ yếu sử dụng polyimide làm vật liệu nhạy cảm với độ ẩm. Điện dung nhạy cảm với độ ẩm polymer được làm từ vật liệu này có hiệu suất điện tốt, hằng số điện môi và tổn hao điện môi rất nhỏ. Hằng số điện môi của polyimide là 2~3 ở trạng thái khô hoàn toàn, và hằng số điện môi của phân tử nước khoảng 80 ở 20°C. Hằng số điện môi phục hồi sau khi hấp thụ phân tử nước là:

εu=εr+aWuεh (1)

Wu=b(p/p0) εr+ aWuεh （2）

εu là hằng số điện môi của vật liệu composite ở độ ẩm tương đối u%RH, εr là hằng số điện môi của màng polyimide ở độ ẩm 0%RH, a, b là hằng số cấu trúc, εh là hằng số điện môi của nước hấp thụ trong màng polyimide, Wu là khối lượng nước hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng polymer ở ​​độ ẩm u%RH, p/p0 là áp suất tương đối của trạng thái cân bằng hơi nước. Khi tụ điện nhạy cảm với độ ẩm của đại phân tử hấp thụ các phân tử nước dạng khí trong môi trường, hằng số điện môi của vật liệu thay đổi, do đó làm thay đổi giá trị điện dung; giá trị độ ẩm môi trường tương ứng được tính toán bằng cách đo sự thay đổi giá trị điện dung. Hiện nay, tụ điện nhạy cảm với độ ẩm polymer được sử dụng trong đo nhiệt độ và độ ẩm cao trong khí thải sử dụng cấu trúc tụ điện phẳng, chủ yếu bao gồm chất nền thủy tinh, điện cực dưới, màng polymer nhạy cảm với độ ẩm, điện cực trên, v.v. Theo công thức của tụ điện phẳng, mối quan hệ giữa điện dung và độ ẩm tương đối có thể được biểu thị như sau:

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của tụ điện nhạy cảm với độ ẩm polymer.

Giá trị điện dung của điện dung nhạy cảm với độ ẩm Ch, ε0 là hằng số điện môi chân không, S là diện tích của điện cực điện dung nhạy cảm với độ ẩm, D là khoảng cách giữa các điện cực điện dung nhạy cảm với độ ẩm, và cũng là độ dày của màng nhạy cảm với độ ẩm. Từ các công thức (1), (2) và (3), có thể thấy rằng mối quan hệ giữa khả năng hấp phụ phân tử nước của điện dung nhạy cảm với độ ẩm và áp suất tương đối của trạng thái cân bằng hơi nước phải tuân theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Herry, tức là mối quan hệ giữa khả năng điện dung và độ ẩm tương đối là tuyến tính.

Tóm lại, ta có thể thấy rằng phép đo độ ẩm ở nhiệt độ cao phản ánh độ ẩm tương đối trong khí thải bằng phương pháp thể tích điện trở, theo định nghĩa về độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối có thể được biểu thị bằng tỷ lệ giữa áp suất nước và áp suất hơi nước bão hòa ở một nhiệt độ và áp suất nhất định. Theo định nghĩa, độ ẩm tương đối và nhiệt độ có mối liên hệ chặt chẽ, trong ứng dụng thực tế, chúng ta cần giá trị độ ẩm của khí thải dưới dạng tỷ lệ thể tích, thuận tiện cho việc tính toán hàm lượng oxy khô trong khí thải. Do đó, để tính toán tỷ lệ thể tích hơi nước trong khí thải, cần phải đo nhiệt độ môi trường xung quanh bằng cảm biến độ ẩm.

Theo kinh nghiệm thực tế sử dụng máy đo độ ẩm khí thải phương pháp điện trở-tụ điện, phương pháp này có đặc điểm là thời gian phản hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn, không dễ bị hư hỏng khi ngưng tụ nước. Nhược điểm là nhiệt độ khí thải không được vượt quá 170°C, nhiệt độ càng cao thì dữ liệu càng dễ bị dao động và tỷ lệ thể tích độ ẩm nhỏ hơn 6% thì khó đo. Lý do là độ ẩm là 0-40% (tỷ lệ thể tích) trong khí nước (trên 30°C), với nhiệt độ (trên 100°C) tương ứng với áp suất nước bão hòa, độ ẩm tương đối càng lớn thì sự thay đổi điện dung tương ứng càng nhỏ. Nhưng phạm vi hoặc độ phân giải của sự thay đổi điện dung bị hạn chế. Thứ ba, khí thải từ đốt rác thải, khí thải luyện kim, v.v. thường có tính ăn mòn nhất định, điện cực dễ bị hỏng và tuổi thọ rất ngắn.

2. Nguyên tắc phương pháp giới hạn dòng zirconia hiện tại

Loại zirconia có dòng điện hạn chế hoạt động bằng nguyên lý bơm oxy zirconia.

Cụ thể, trước tiên, chất điện phân rắn zirconia được nung nóng đến nhiệt độ cao (trên 350°C), đồng thời, điện áp hoạt động được đặt vào các điện cực bạch kim ở hai phía của chất điện phân rắn zirconia, phân tử oxy ở phía catốt được xúc tác thành ion oxy và được điện áp đặt vào "bơm" lên anốt. Dòng điện đầu ra của cảm biến không tăng khi điện áp đặt vào tăng lên khi nồng độ oxy trong khí quyển là một giá trị nhất định, mà đạt đến một giá trị không đổi, được gọi là giá trị dòng điện giới hạn dưới nồng độ oxy đó, và thường được gọi là mức dòng điện giới hạn thứ nhất I1. Theo nguyên lý này, bằng cách đặt cảm biến dòng điện giới hạn trong môi trường chứa hơi nước và tăng điện áp đặt vào, có thể đo được một giá trị dòng điện giới hạn đáng kể, thường được gọi là mức dòng điện giới hạn thứ hai I2, mặc dù giá trị dòng điện này chứa các phân tử oxy và các phân tử nước bị ion hóa. Hai giá trị dòng điện giới hạn này tỷ lệ thuận với hàm lượng oxy trong môi trường và hàm lượng oxy chứa hơi nước, tương ứng. Cơ chế phản ứng vi mô của zirconia trên catốt và anốt như sau:

phía cực âm O2+4e-→2O2- (1)

H2O+2e-→H2+O2- (2)

Phía anode O2-→1/2O2+2e- (3)

Hình 2. Cấu trúc cảm biến oxit zirconi loại dòng điện giới hạn.

Theo quy tắc Fick về giới hạn lỗ khuếch tán khí của cảm biến, với giả thiết hệ số khuếch tán của oxy và hơi nước bằng nhau, hai giá trị dòng điện giới hạn có thể được biểu diễn như sau:

Trong công thức: F là hằng số Faraday.

D là hệ số khuếch tán khí trộn.

S là diện tích của lỗ giới hạn dòng điện oxit zirconi (lỗ khuếch tán).

P là áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí.

R là hằng số khí

T là nhiệt độ hoạt động của zirconia (K)

L là chiều dài của lỗ khuếch tán khí.

Hàm lượng oxy trong khí thải có thể được tính toán dựa trên dòng điện giới hạn thứ nhất, và độ ẩm trong khí thải có thể được tính toán dựa trên hiệu số giữa dòng điện giới hạn thứ hai và dòng điện giới hạn thứ nhất. Do đó, việc sử dụng thiết bị đo độ ẩm dựa trên nguyên lý dòng điện giới hạn oxit zirconi so với các thiết bị đo độ ẩm khác có ưu điểm rõ rệt, bởi vì bản chất của nó là đo oxy và để đo độ ẩm phải đo oxy, nên người sử dụng không cần phải lắp đặt máy phân tích đo oxy, một thiết bị đo độ ẩm có thể cung cấp hai dữ liệu đo cùng một lúc.

Từ kinh nghiệm thực tế sử dụng phương pháp đo độ ẩm dựa trên nguyên lý dòng điện giới hạn của oxit zirconi, ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, độ chính xác đo cao, nhiệt độ khí thải có thể sử dụng từ nhiệt độ bình thường đến 500°C, hiệu quả chi phí cao. Nhược điểm là máy không thể khởi động trong nước lỏng hoặc nước đá, và dễ bị nhiễm độc trong môi trường khí thải chứa nhiều silic dioxit hoặc kim loại nặng như asen và chì.

Trên thực tế, khi nhắc đến điện cực xúc tác oxit zirconi, người ta thường cần điện cực bạch kim cho quá trình khử lưu huỳnh do hàm lượng lưu huỳnh cao trong than đá ở Trung Quốc. Tuy nhiên, đầu và cuối tháp khử lưu huỳnh thường cần giám sát khí thải, nhưng nếu điện cực bạch kim của zirconi hoạt động trong môi trường khí thải có hàm lượng SO2 cao trong thời gian dài, tuổi thọ sẽ bị ảnh hưởng đáng kể. Do đó, trong sử dụng thực tế, chẳng hạn như đầu vào khử lưu huỳnh, thu hồi lưu huỳnh trong khí tự nhiên, đốt rác thải, v.v., điện cực oxit zirconi sử dụng điện cực bạch kim dễ bị ăn mòn. Trong những năm gần đây, để giải quyết ảnh hưởng của môi trường ăn mòn đến tuổi thọ của zirconi loại dòng điện giới hạn, cảm biến zirconi được sử dụng trong bộ truyền độ ẩm PC18 của Công ty TNHH Công nghệ Điện tử Chang Ai Thượng Hải đã có một sự đổi mới táo bạo. Điện cực xúc tác của zirconi đã được thay đổi thành điện cực gốm, giải quyết được vấn đề ứng dụng của zirconi loại dòng điện giới hạn trong điều kiện đốt rác thải y tế, công nghiệp hóa dầu, VOC, v.v. một cách đồng thời.

Bộ truyền tín hiệu độ ẩm PC18

3. Phương pháp phun tia va đập (bóng khô-ướt)

Nguyên lý cơ bản của phương pháp đo độ ẩm bằng quả cầu khô-ướt: Một cảm biến nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ của khí thải làm nhiệt độ của quả cầu khô, một bể đo được sử dụng chứa một lượng nước nhất định, sau đó đặt cảm biến nhiệt trong bể đo, và cảm biến nhiệt phải được đặt dưới mặt nước, sau đó khí thải liên tục tác động vào mặt nước ngay phía trên cảm biến nhiệt của bể đo, và nhiệt độ đo được được lấy làm nhiệt độ của quả cầu ướt. Dựa trên nguyên lý truyền nhiệt và lý thuyết nhiệt động lực học, có thể suy ra công thức toán học sau:

trong công thức:

độ ẩm tương đối %

Áp suất nước bão hòa ở nhiệt độ quả cầu ướt

áp suất nước bão hòa ở nhiệt độ quả bóng khô

áp suất khí quyển

sự khác biệt giữa nhiệt độ bóng khô và bóng ướt

hằng số, liên quan đến tốc độ gió

Theo công thức toán học trên, ta có thể thấy rõ rằng phương pháp phun xung để đo độ ẩm trong khí thải được thực hiện bằng cách đo gián tiếp nhiệt độ khí thải. Công nghệ đo nhiệt độ tương đối hoàn thiện và đáng tin cậy. Ngay cả khi điều kiện làm việc rất khắc nghiệt, sự thay đổi của cảm biến nhiệt độ cũng rất nhanh.

Theo tình hình ứng dụng thực tế tại các nhà máy thu hồi lưu huỳnh khí tự nhiên, nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy dệt may, nhà máy đốt rác thải, v.v., thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao sử dụng phương pháp phun tác động (bóng khô-ướt) có tuổi thọ cao (hiện đã sử dụng liên tục 5 năm và vẫn hoạt động bình thường), dữ liệu đo chính xác và đáng tin cậy, khả năng thích ứng cao với môi trường khắc nghiệt, phạm vi nhiệt độ thích ứng rộng và ít cần bảo trì. Nhược điểm là giá thành cao, kích thước lớn và cần phải bổ sung nước thường xuyên.

Mặc dù phương pháp phun va đập là nguyên lý hoạt động của quả cầu khô và ướt, nhưng nó không phải là phương pháp thường được các cơ quan khí tượng sử dụng để đo độ ẩm tương đối của thiết bị đo độ ẩm không khí. Ví dụ, thiết bị CI-PC39 của Công ty TNHH Công nghệ Điện tử Thượng Hải Chang Ai là một thiết kế hoàn toàn mới, thậm chí là một thiết kế cải tiến, nhằm đạt được hiệu quả đo như trên.

Máy phân tích độ ẩm CI-PC39

4. Phương pháp hấp thụ hồng ngoại

Phương pháp hấp thụ phổ rộng hồng ngoại dựa trên nguyên lý rằng sự hấp thụ chọn lọc của các phân tử hơi nước đối với các bước sóng hồng ngoại cụ thể thay đổi theo nồng độ của chúng. Tuy nhiên, kể từ năm 1912 khi Fowle lần đầu tiên đề xuất phương pháp đo độ ẩm bằng hồng ngoại, việc đo độ ẩm diễn ra chậm do công nghệ hấp thụ phổ rộng bị hạn chế bởi công nghệ hấp thụ hồng ngoại truyền thống. Với sự phát triển nhanh chóng của quang phổ laser bán dẫn (DLAS) vào những năm 1990, máy phân tích nhiệt độ và độ ẩm cao trực tuyến cho khí thải đã được phát triển. So với quang phổ hấp thụ hồng ngoại truyền thống, kỹ thuật DLAS thuộc loại hấp thụ phổ hẹp, bởi vì độ rộng phổ (nhỏ hơn 0,0001nm) của nguồn laser bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với độ rộng của vạch hấp thụ khí. Mỗi phân tử khí có phổ hấp thụ riêng, khi phổ phát xạ của nguồn sáng trùng với phổ hấp thụ của phân tử khí, cường độ hấp thụ có liên quan đến tỷ lệ thể tích của khí. Khi xem xét cơ sở dữ liệu liên quan, ta có thể thấy rằng sự hấp thụ khí nước rất mạnh gần vạch hấp thụ có bước sóng 1390nm và không có sự hấp thụ nhiễu rõ ràng của các khí khác. Khi một laser bán dẫn có cường độ I0 đi qua khí cần đo, nếu phổ của nguồn sáng bao phủ phổ hấp thụ của phân tử khí, ánh sáng sẽ suy giảm khi đi qua khí. Theo định luật Lambert-Beer, mối quan hệ giữa cường độ I của ánh sáng thoát ra và cường độ I0 của ánh sáng tới với nồng độ thể tích khí là:

Trong công thức (1), I và I0 lần lượt là cường độ ánh sáng tới và ánh sáng thoát ra; α(λ) là hệ số hấp thụ của môi trường có nồng độ đơn vị và chiều dài đơn vị ở một bước sóng nhất định. C là nồng độ của khí cần đo, L là đường truyền quang.

Để đạt được độ nhạy cao hơn và giảm nhiễu 1/f của laser, kỹ thuật DLAS thường cần kỹ thuật phát hiện phổ điều chế. Kỹ thuật này làm giảm đáng kể ảnh hưởng của nhiễu laser lên phép đo bằng cách điều chế tần số cao. Đồng thời, có thể thu được bộ lọc thông dải băng thông hẹp bằng cách thiết lập hằng số thời gian lớn hơn cho bộ dò nhạy pha được sử dụng trong kỹ thuật phát hiện nhạy pha (phát hiện các thành phần hài), do đó nén băng thông nhiễu một cách hiệu quả.

Khi sử dụng máy phân tích độ ẩm nhiệt độ cao khí thải do DLAS phát triển để đo khí thải, phát minh này thuộc loại đo không tiếp xúc, không bị nhiễm độc cảm biến hoặc bị nhiễu bởi khí nền. Phát minh này có ưu điểm là thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác dữ liệu đo cao, chu kỳ hiệu chuẩn dài và hầu như không cần bảo trì. Nhược điểm là giá thành cao.

5. xu hướng phát triển

Như chúng ta đã biết, các thành phần cốt lõi của các thiết bị phân tích trực tuyến nằm ở cảm biến. Do khởi đầu muộn, ngành công nghiệp cơ bản ở nước ta còn yếu, mặc dù sau nhiều năm phát triển, các nhà sản xuất thiết bị phân tích trong nước đã có những tiến bộ vượt bậc trong việc nắm vững công nghệ cốt lõi, nhưng so với nước ngoài vẫn còn khoảng cách rất rõ rệt. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị phân tích trong nước đều mua cảm biến nước ngoài rồi thiết kế lại để tham gia thị trường với mức giá cạnh tranh đồng nhất, điều này khiến người ta buồn vì thị trường thiết bị phân tích phân khúc thấp (thị trường cao cấp hầu như bị nước ngoài độc chiếm), về lâu dài sẽ ảnh hưởng hoặc làm chậm sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị phân tích trong nước.

Hiện nay, do giá thành cao, các thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao trực tuyến chủ yếu sử dụng phương pháp điện trở và zirconia loại dòng điện giới hạn trên thị trường. Các thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao dựa trên nguyên lý phương pháp phun xung (bóng khô-ướt) và phương pháp hấp thụ quang phổ hồng ngoại có thị phần rất thấp. Công ty TNHH Công nghệ Điện tử Thượng Hải Chang Ai, thông qua nỗ lực lâu dài và không ngừng nghỉ, đã tự phát triển cảm biến zirconia oxit loại dòng điện giới hạn cho thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao khí thải trực tuyến nói trên và các thành phần cốt lõi - bể đo - phương pháp phun xung. Một số viện nghiên cứu khoa học trong nước như Viện Khoa học Điện Trung Quốc cũng có thể chế tạo cảm biến cho thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao bằng phương pháp điện trở-điện dung, nhưng hiệu suất không ổn định, còn xa với việc công nghiệp hóa, hiện nay thị trường chủ yếu được thiết kế ở nước ngoài. Điốt laser bán dẫn, thành phần cốt lõi của thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao khí thải trực tuyến bằng phương pháp hấp thụ quang phổ hồng ngoại, hiện chưa thể được các nhà sản xuất trong nước thực hiện. Chỉ có Đức, Hoa Kỳ, Hà Lan và một số nước khác mới có thể làm được. Việc thiếu hụt hoặc yếu kém công nghệ cốt lõi hạn chế sự phát triển và tiến bộ của thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao khí thải trực tuyến.

Trong tương lai, sự phát triển của thiết bị đo độ ẩm nhiệt độ cao trực tuyến cho khí thải sẽ bị hạn chế bởi nhiều yếu tố. Thiết bị đo độ ẩm hoạt động theo bốn nguyên lý nêu trên sẽ cùng tồn tại, có thể dự đoán rằng thiết bị đo độ ẩm sử dụng phương pháp điện trở và nguyên lý oxit zirconium loại dòng điện giới hạn sẽ tiếp tục cải thiện độ tin cậy và tuổi thọ, thiết bị đo độ ẩm sử dụng phương pháp phun xung sẽ giảm kích thước, giảm chi phí và tăng thị phần. Máy đo độ ẩm hấp thụ hồng ngoại được cho là triển vọng nhất, đồng thời thể hiện hướng phát triển của thiết bị phân tích khí trực tuyến, nhưng nếu các nhà sản xuất trong nước không giải quyết được vấn đề phát triển và sản xuất diode laser bán dẫn, thì điều đó sẽ hạn chế việc giảm chi phí, ảnh hưởng đến việc quảng bá thị trường. Ngay cả khi các nhà cung cấp nước ngoài giảm giá, các doanh nghiệp trong nước chỉ có thể làm việc cho các doanh nghiệp nước ngoài, và sau đó tiến hành cạnh tranh giá thấp tại Trung Quốc, và tham gia vào cuộc chiến giá cả. Chúng tôi hy vọng rằng hiệp hội ngành công nghiệp thiết bị phân tích trực tuyến trong nước hoặc các cơ quan chính phủ liên quan có thể thúc đẩy sự hợp tác giữa các trường đại học, viện nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp, bổ sung lợi thế cho nhau, phá vỡ thế độc quyền của các nhà sản xuất nước ngoài càng sớm càng tốt, và đưa ngành công nghiệp thiết bị phân tích của Trung Quốc tiến lên phân khúc cao cấp.