Издательский Центр Аква-Терм
Veza_25old
Vitron_450x100

Использование электрохимических сенсоров в портативных анализаторах дымовых газов для измерений промышленных выбросов

П. Циглер, физик, специалист по электрохимическим измерительным технологиям, А. Райнауэр, инженер по подготовке топлива, департамент измерительных инструментов

Благодаря своей уникальной линейке, Testo предлагает большой выбор прочных сенсоров газа, оптимизированных для анализа выбросов и технологии измерения процессов. Простота установки и ввода в эксплуатацию, надежность, высокая точность измерения концентрации газа, неоднократно подтвержденная независимыми организациями, а также простая калибровка благодаря высокой линейности – все это отличает линейку сенсоров газа Testo.

                

                     Зачем нужен газовый анализ промышленных выбросов

Рис. 1. Стадии сгорания и связанные с ним промышленные процессы

   Газовый анализ (то есть измерительная технология для определения состава газов) –  незаменимое средство экономичного и безопасного управления процессами практически во всех областях промышленности. В первую очередь этот термин относится к процессам сгорания, но он также включает в себя множество других процессов. На рис. 1 представлена последовательность процесса сгорания, разбитая на стадии, начиная с подачи топлива и воздуха, идущего на горение, в камеру сгорания (слева), затем само горение и связанные с ним различные процессы, и, наконец, очистка дымовых газов и контроль выбросов.

Газовый анализ на всех уровнях этой производственной цепочки дает информацию о составе дымовых газов, которая позволяет обеспечить экономичную и безопасную эксплуатацию установки согласно требованиям законодательства, что также критически важно для качества и эффективности производства.

   Газоанализаторы используются для анализа дымовых газов в различных областях промышленности, которые вовсе не ограничиваются одним лишь мониторингом выбросов (рис. 2, 3). Мы можем выделить следующие области применения газового анализа: 

Рис. 3. Анализатор дымовых газов testo 350 с зондом отбора пробы

1. Регулировка и сервисные работы в рамках общего контроля, например, после технического обслуживания установки, для диагностики отказов в случае неустойчивых процессов, при подготовке к регламентным испытаниям, после ремонта и т.п.

2. Технологические замеры для оптимизации на этапах подачи топлива и воздуха, идущего на горение, горелки, а также в камере сгорания, с целью сбережения топлива, повышения эффективности и продления срока службы установки.

3. Технологические замеры для мониторинга заданного содержания газов в камерах сгорания или в печах в процессе обжига, при обработке поверхности и т.п.

4. Технологические замеры и анализ выбросов для контроля правильного функционирования оборудования для очистки дымовых газов.

5. Анализ выбросов для контроля соблюдения граничных значений содержания загрязняющих веществ в потоке дымовых газов или в дымовой трубе.

Использование теплоты сгорания

   В целом, когенерационные установки – это системы, использующие тепло, которое вырабатывается в результате сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива с определенной целью. В жилых домах когенерационные установки используются главным образом для выработки тепла. В промышленности есть много возможностей использования таких установок.

   Чаще всего когенерационные установки используются в промышленности для:

- отопления (обогрева установок и в системах отопления зданий),

- выработки электроэнергии,

- выработки пара или горячей воды (например, для использования в технологическом оборудовании),

- изготовления различных материалов (например, в цементной, стекольной или керамической промышленности),

- термической обработки поверхности металлических изделий,

- сжигания отходов и использованных материалов (мусора, использованных шин и т.д.).

Дымовые газы и их состав

   Трансформация первичной химической энергии топлива во вторичную тепловую энергию в процессе оксидированния называется горением при интенсивном окислении. При таком горении температура достигает значений свыше 1000°C. Необходимый для процесса горения кислород поступает в составе воздуха, идущего на горение. Помимо основного продукта, тепла, в процессе горения производится значительный объем побочного продукта – дымовых газов. Дымовой газ содержит химически активные вещества из топлива и воздуха, а также остаточные вещества – прежде всего пыль, окиси серы, окиси азота и угарный газ. При сгорании угля дымовой газ может содержать соляную хлористоводородную кислоту и фторид водорода, а при сгорании отходов – вещества, входящие в их состав (не только хлористоводородную кислоту и фторид водорода, но и различные углеводороды, тяжелые металлы и т.д.).

   Поэтому промышленные установки для сжигания оснащены большими и часто очень сложными системами очистки дымовых газов, такими как пылевые фильтры и различные газоочистители, которые удаляют из неочищенного газа большую часть загрязняющих веществ. Термин “неочищенный газ” используется для описания дымового газа в его изначальном составе после сгорания; очищенный газ – дымовой газ, который выбрасывается в атмосферу, пройдя все стадии очистки. Для очищенного газа законодательством об охране окружающей среды установлены жесткие предельные значения содержания таких загрязнителей воздуха, как пыль, окиси серы, окиси азота и угарный газ.

Тип и состав топлива

   Твердое топливо (уголь, торф, древесина, солома) в основном состоит из углерода (C), водорода (H2), кислорода (O2) и, в меньших количествах, включает серу (S), азот (N2) и воду (H2O). Оно сжигается в виде плотного слоя, псевдоожиженного слоя или во взвеси мелких частиц.

   Жидкое топливо, с одной стороны, происходит от неочищенной нефти и продуктов ее переработки, таких как сверхлегкое (EL), легкое (L), среднее (M) и тяжелое (H) печное топливо, а с другой стороны, от биотоплива (растительное масло, биодизель, биоэтанол), которое используется в основном в автомобилях. Жидкое топливо поступает в камеру сгорания с топочным воздухом через горелку в виде взвеси.

   Газообразное топливо представляет собой смесь горючих (CO, H2 и углеводородов) и негорючих газов. Сегодня часто используется природный газ, основным компонентом которого является метановый углеводород (CH2). Газообразное топливо смешивается с топочным воздухом уже в горелке.

Газоанализаторы и принципы измерения

   Газоанализаторы, которые изготовляются разными производителями, имеют разную конструкцию и работают на разных измерительных принципах. В основе каждого прибора – особые сенсоры для определения определенных субстанций или сенсорные системы. Их функционирование основано на физических, химических или электрических принципах, таких как абсорбция, адсорбция, проводимость, ионизация, свечение при нагреве, парамагнитные или электрохимические свойства.

   Сенсоры реагируют на изменение параметра “концентрация газа” соответствующим изменением своих свойств (например, увеличивая адсорбцию света или снижая электрическую проводимость), что формирует измеряемый сигнал.

   По конструкции можно выделить:

- портативные легкие анализаторы для быстрых замеров в разных точках и

- стационарные анализаторы, смонтированные на установке для продолжительных долгосрочных измерений на протяжении многих месяцев и лет, а также

- анализаторы, которые измеряют прямо в технологическом потоке (приборы, работающие на месте) и

- анализаторы, работающие с пробой, которая берется из технологического потока и подготавливается для измерений («извлекающие» приборы).

   Новейшие разработки позволяют создавать портативные измерительные приборы, подходящие и для постоянных стационарных измерений: примером такого прибора может служить анализатор testo 350, который, с одной стороны, достаточно легкий и портативный, но при этом подходит для долгосрочных измерений на протяжении нескольких недель.

Использование электрохимических сенсоров в газоанализаторах Testo

Рис. 4. testo 340 с электрохимическими сенсорами

   Компания Testo является мировым лидером в производстве анализаторов дымовых газов и портативных измерительных приборов. Благодаря своей всемирной сети представительств по продаже и клиентскому обслуживанию, Testo получает запросы и пожелания от многих клиентов, что позволяет постоянно улучшать используемые сенсоры (рис. 4).

   Электрохимическая сенсорная технология имеет множество преимуществ. Вот некоторые из них:

- компактность; стандартный сенсор имеет цилиндрическую форму, диаметр 29 мм и высоту 25 мм и занимает объем 16,5 см³;

- минимальная входная мощность для необходимого переключения электрической цепи обычно составляет 0,3 мВт (3 В * 100 мкА);

- стабильная нулевая точка обычно от 1 до 2 ppm; 

- очень хорошая линейность дает возможность одноточечной калибровки и настройки;

- очень высокая точность измерений.

   Поэтому многие производители используют эту сенсорную технологию в своих измерительных приборах.

   Газоанализаторы Testo также используют электрохимические сенсоры для большинства параметров, таких как O2, NO, NOх или CO. Сенсоры газа, которыми оснащаются приборы Testo, отличаются особыми свойствами, подробнее о которых мы поговорим ниже.

Принцип действия электрохимических сенсоров газа

   Для того, чтобы объяснить принцип действия электрохимических сенсоров газа, мы используем типичный пример трехэлектродного сенсора угарного газа. На рис. 5 показаны компоненты сенсора и происходящие в нем процессы.

Рис. 5. Функциональная схема электрохимического трехэлектродного сенсора

   Молекулы угарного газа (CO) поступают сквозь газопроницаемую мембрану на рабочий электрод, где в результате химической реакции образуются ионы H+. Они перемещаются по водному электролиту на электрод сигнальной пластины, где за счет последующей химической реакции, вызванной кислородом (O2) из поступающего свежего воздуха, во внешней цепи формируется электрический ток. Третий (эталонный) электрод служит для стабилизации сигнала сенсора. Срок службы сенсора этого типа составляет примерно два года.
 

Свойства уникальной конструкции сенсоров Testo

   Уникальная конструкция сенсоров Testo основана на проверенной электрохимической технологии, которая была усовершенствована и улучшена в нескольких критических точках.

   В отличие от других электрохимических сенсоров газа, доступных на рынке, сенсоры Testo имеют соединительные ниппели, позволяющие легко присоединить сенсор к газовому тракту прибора. Газовый тракт в приборах Testo образуется шлангами, которые вставляются в соединительные ниппели сенсора. Это дает возможность пользователю легко менять сенсоры даже на месте замера. В результате сокращается время простоя, которое могло бы потребоваться для перевозки приборов к производителю или в сервисные центры.

   Поскольку газовый тракт проходит через сенсоры, а не за ними, их высота вместе с газовым трактом стала меньше, чем у других сенсоров с похожими характеристиками, что оказывает положительный эффект на размеры измерительных приборов.

Каждый сенсор Testo имеет прикрепленную к нему монтажную плату. Монтажная плата имеет стандартный штекерный разъем для электромеханического подключения к прибору. Вне зависимости от особенностей конструкции сенсора, таких как количество и расположение измерительных каналов, этот интерфейс остается одинаковым для всей серии, что упрощает работу с сенсорами.

Монтажная плата сенсора содержит элемент памяти, называемый ЭСППЗУ (EEPROM). В ЭСППЗУ хранится вся информация о сенсоре, такая как идентификаторы сенсора, данные о компенсации, настройке и калибровке, а также дополнительные параметры для расчета отображаемой величины. Кроме того, хранящиеся там величины максимально допустимой концентрации газа помогают защитить сенсор от перегрузки. Все оповещения об ошибках, которые могут произойти во время работы, также хранятся в ЭСППЗУ. Поэтому при установке сенсора в измерительный прибор Testo вся информация, необходимая для быстрого начала работы, уже доступна. В результате параметризация сенсора, то есть ввод коэффициентов компенсации, не требуется. Пользователь может самостоятельно устанавливать сменные и дополнительные сенсоры без каких-либо проблем и специальных инструментов, так что газоанализаторы Testo не нужно посылать в службу поддержки для замены сенсоров.

Сенсоры Testo с нормированными цифровыми выходными сигналами

   Благодаря встроенной в сенсор монтажной плате, а также стандартизации цифрового выходного сигнала, передаваемого сенсором на измерительный прибор, любой сенсор можно вставить в любой слот прибора. Например, благодаря этому в приборах со слотом разбавления чистым воздухом, таких как testo 350, в зависимости от измерительной задачи и концентрации газов в этот специальный слот можно ставить разные типы сенсоров, предохраняя их от опасных концентраций газа. Переустановка очень проста, и прибор распознает измененный порядок сенсоров при включении и начале работы.

   Срок повторной калибровки и проверки фильтра пользователем или службой клиентской поддержки Testo  рассчитывается, исходя из времени эксплуатации и суммарной нагрузки, и показывается в виде системы “светофор”.

   Еще одна особенность – сенсор температуры на монтажной плате, измеряющий точную температуру каждого сенсора и компенсирующий влияние температуры на сенсор.

Рис. 6. Электрохимический сенсор газа с фильтром

   Другое преимущество сенсоров Testo в сравнении с обычными газовыми сенсорами в том, что они учитывают влияние газов, вызывающих перекрестную чувствительность сенсора. Перекрестная чувствительность – термин, описывающий чувствительность сенсора или измерительного прибора к параметрам, отличным от измеряемого. Как и большая часть газовых сенсорных технологий, электрохимические сенсоры газа подвержены перекрестной чувствительности. Поэтому в некоторых типах сенсоров используются встроенные фильтры, которые не пропускают газы, имеющие перекрестную чувствительность. Если это невозможно, производится вычисление для компенсации перекрестной чувствительности, то есть компенсации вызванного ей сигнала. Что же касается фильтров, сенсоры Testo отличаются большим сроком службы, а в некоторых моделях есть возможность замены только фильтра, а не всего сенсора. Так что нет нужды заменять дорогостоящий сенсор целиком, если из строя вышел лишь дешевый фильтр (рис. 6).

Чтобы сенсоры Testo могли получать самые точные результаты, расчету компенсации перекрестной чувствительности было уделено большое внимание. Это касается, с одной стороны, рабочей компенсации, при которой коэффициенты компенсации точно и индивидуально настраиваются с помощью поверочных газов. С другой стороны, Testo использует патентованные алгоритмы вычисления, учитывающие и компенсирующие зависимость от концентрации газа и температуры.

Особые решения, адаптированные к особым задачам

   Задачи, для которых используются газоанализаторы Testo, очень различны. Поэтому нужно было разработать такие сенсоры, которые подходили бы для всех задач.

Рис. 7. testo 350 с электрохимическими сенсорами

   Одна из стандартных задач – настройка и мониторинг сжигательных установок. При этом измеряются в основном такие газы, как O2, CO и NO, а ожидаемые концентрации четко установлены. Но они все же сильно различаются в зависимости от задачи. Чтобы охватить весь диапазон концентраций газа с высокой степенью точности, были разработаны специальные сенсоры NOниз и COниз, предназначенные для измерения очень низких концентраций газа. Благодаря же возможности расширения диапазона измерений с помощью контролируемого разбавления, сенсоры низкого диапазона могут хорошо работать и при пиковых уровнях выбросов.

   Таким образом, линейка сенсоров Testo адаптирована к определенным задачам и измеряемым параметрам.

   Анализатор дымовых газов testo 350 часто используется для мониторинга самых разных процессов, для которых важны не те же параметры, что для сжигательных систем, либо при которых ожидаются совершенно другие концентрации газов. В линейке сенсоров Testo можно найти специальные решения для таких задач по выгодной цене. Имеются сенсоры для таких относительно редко измеряемых параметров, как H2S и HC, последний из которых регистрирует углеводороды как суммарный параметр, основанный на принципе свечения при нагреве, то есть не электрохимическим методом (рис. 7). 

   Широкая линейка сенсоров газа дополняется сенсором CO2, работающим на основе недисперсионной инфракрасной технологии. Благодаря диапазону измерений до 50% об. он адаптирован к процессам сжигания и процессам, в которых CO2 присутствует как технологический газ, таким как производство цемента. Цветовая кодировка сенсоров газа позволяет моментально определить их назначение.

    


Поделиться:

Опубликовано: 09 июня 2020 г.

вернуться назад