Gazy przemysłowe/medyczne
Specjalistyczne analizatory i aplikacje do procesów w przemyśle, np. pomiar śladowych zanieczyszczeń w gazach przemysłowych i pomiar wysokiej czystości gazów medycznych
W ostatnich latach, ze względu na kwestie ochrony środowiska i niepokoje społeczne, wodór cieszy się coraz większym zainteresowaniem jako nowe źródło energii. Oczekuje się, że jego zastosowanie będzie się w przyszłości rozprzestrzeniać.
Wraz z tym trendem stacje tankowania wodoru dla pojazdów z ogniwami paliwowymi odnotowują drastyczne przyspieszenie wzrostu. Obecnie większość paliw wodorowych pochodzi z gazu ziemnego, a norma ISO-14687 definiuje standard jakości wodoru dla pojazdów FCEV. Jakość wodoru ma kluczowe znaczenie dla wydajności i żywotności ogniw paliwowych wodorowych, a nawet śladowe zanieczyszczenie jest krytyczne i może zmniejszyć wydajność, prowadzić do pogorszenia i uszkodzenia katalizatora ogniwa paliwowego.
Dlatego wyzwanie koncentruje się na zapewnieniu wysokiej jakości wodoru przy niższych kosztach. W celu produkcji wodoru o wyższej czystości w większych ilościach i przy niższych kosztach istnieje stała potrzeba rozwijania technologii procesu produkcyjnego i poprawy wydajności adsorpcji i regeneracji poprzez monitorowanie całego procesu produkcyjnego i analizę katalizatorów i materiałów używanych w procesie. Spośród technologii produkcji wodoru, reforming parowy jest szeroko stosowany jako najskuteczniejszy sposób produkcji dużych ilości wodoru.
Technologia ta zazwyczaj wykorzystuje gaz ziemny i reformuje go do wodoru o wysokiej czystości. W procesie reformowania pojawia się szereg zanieczyszczeń wraz z wodorem o wysokiej czystości, dlatego niezwykle ważne jest ciągłe monitorowanie krytycznych zanieczyszczeń po jednostce absorpcji zmiennociśnieniowej, aby uniknąć ich przenikania do produktu końcowego - wodoru klasy odpowiedniej dla ogniw paliwowych i chronić pojazdy z ogniwami paliwowymi na wodór przed pogorszeniem wydajności.
Tabela 1: Normy jakości paliwa wodorowego ISO14687
Na poniższym rysunku 1 przedstawiono 5 najważniejszych kroków podstawowego działania stacji wodorowej.
Krok 1: gaz miejski (gaz ziemny, który składa się głównie z metanu) jest dostarczany bezpośrednio do rurociągu stacji wodorowej.
Krok 2: Związki siarki w gazie ziemnym są usuwane w instalacji odsiarczania.
Krok 3: Oczyszczony gaz ziemny trafia do parowego reformingu metanu (SMR), w którym para o wysokiej temperaturze jest używana do przekształcania metanu w wodór i tlenek węgla (CH4+ H2O = CO + 3H2) . Wysoka temperatura przyspiesza reakcję między metanem a wodą, aby wychwycić jak najwięcej wodoru.
Krok 4: Tlenek węgla i para wodna z reformingu trafiają do konwertera zmiany CO, aby wytworzyć dwutlenek węgla i więcej wodoru
(CO+H2O= H2 + CO2).
Ten konwerter jest wypełniony wodą i katalizatorem na bazie żelaza i chromu, który powoduje rozkład pary wodnej na tlen i wodór. Wodór jest wychwytywany, podczas gdy tlen przyłącza się do tlenku węgla z reakcji reformingu w celu wytworzenia dwutlenku węgla.
Krok 5: Wodór jest ostatecznie oczyszczany w urządzeniu PSA (Adsorpcja zmiennociśnieniowa - pressure swing adsorption), które odzyskuje wodór o wysokiej czystości pod wysokim ciśnieniem, jednocześnie pochłaniając zanieczyszczenia pod niskim ciśnieniem. Jednostka ta wykorzystuje złoża stałego absorbentu, takiego jak węglowe sito molekularne, do oddzielania zanieczyszczeń od strumienia wodoru.
Rysunek 1: Podstawowe operacje stacji wodorowej na miejscu
CO jest jednym z najgorszych i najbardziej niepożądanych zanieczyszczeń w ogniwach paliwowych wodorowych ze względu na trudności w jego usuwaniu oraz możliwe zatrucie katalizatora, co może prowadzić do spadku napięcia w ogniwie paliwowym. Chociaż w normach jakości wodoru ISO-14687 (patrz tabela 2: ISO14687-3: 2019) istnieje wiele zanieczyszczeń, które należy monitorować w bardzo niskim stężeniu, monitorowanie każdego składnika zanieczyszczenia jest bardzo trudne i kosztowne.
Rozwiązaniem jest metoda zarządzania zanieczyszczeniami zwana „Metodą Kanarka” (patrz Tabela 3: Metoda Zarządzania Zanieczyszczeniami Kanarka), która jest określona w normie ISO. Jest to metoda stosowana jako wskaźnik, który składnik jest najmniej usuwany na etapie oczyszczania wodoru i łatwo miesza się z produktem. CO, który jest zanieczyszczeniem wodoru, jest określany jako składnik będącym wskaźnikiem "kanarka", a jakość wodoru jest utrzymywana poprzez ciągłe monitorowanie stężenia CO, jako wskaźnika za pomocą ciągłego analizatora podczerwieni. Powodem, dla którego CO jest najmniej usuwanym składnikiem, jest to, że jest on oznaczony jako składnik przebicia w PSA. Kiedy absorbent w adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) osiąga nasycenie z powodu jego pogorszenia, CO wydostaje się z niego jako pierwszy.
Monitor gazów śladowych HORIBA (GA-370) służy do monitorowania składnika przebicia, jakim jest CO. Aby zapewnić jakość wodoru na poziomie ogniw paliwowych za rozsądną cenę, tlenek węgla należy sprawdzać na wylocie adsorpcji zmiennociśnieniowej.
Tabela 2: ISO14687-3: 2019
Tabela 3: Zarządzanie zanieczyszczeniami motodą "kanarka"
Odniesienie: JXTG Technical Review Vol.60 No.01 (marzec 2018)
Opracowanie nowej metody kontroli jakości dla ENEOS Hydrogen
Monitor gazów śladowych GA-370 firmy HORIBA (przedstawiony na rysunku 2) to wydajne rozwiązanie analityczne umożliwiające ciągłe monitorowanie CO po adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) na poziomie poniżej części na miliard (ppb).
Technologia ta wykorzystuje zasadę podwójnej modulacji krzyżowej bezdyspersyjnej podczerwieni, która pozwala na pomiar bez dryfu i niezawodne, niezwykle czułe wykrywanie śladowych ilości cząsteczek zanieczyszczeń, zapewniając w ten sposób wodór o jakości odpowiedniej do produkcji ogniw paliwowych.
Bazując na dziesięcioleciach doświadczenia w rozwiązaniach pomiarowych, HORIBA zaprojektowała ten analizator tak, aby wyeliminować rutynowe cykle kalibracji i zapewnić długoterminową, stabilną oraz ciągłą, bezobsługową pracę.
Każdy element analizatora został dobrany tak, aby zapewnić najwyższą niezawodność, dokładność i niezwykłą czułość, co pozwoli na spełnienie oczekiwań najbardziej wymagających branż i zastosowań.
Ekonomiczne, wyjątkowo stabilne i ultraczułe – najlepsze rozwiązanie do inteligentnej kontroli jakości wodoru i zarządzania zapewnieniem jakości.
Tabela 4: Specyfikacja
Film wprowadzający do GA-370
Wprowadzenie monitora gazów śladowych GA-370 firmy HORIBA
Rysunek 2: Monitor gazów śladowych GA-370
Dwuwiązkowy analizator podczerwieni bez dyspersji z modulacją krzyżową
Wiadomo, że cząsteczki składające się z różnych atomów pochłaniają światło podczerwone w określonym zakresie długości fal.
Niedyspersyjny analizator podczerwieni (dalej, NDIR) wykorzystuje powyższe właściwości fizyczne cząsteczek i mierzy absorpcję światła podczerwonego w określonej długości fali CO, CO2i / lub CH4w próbce gazu i zapewnia ciągły pomiar wartości stężenia.
Konwencjonalna technika NDIR polegała na tym, że dwie komórki pomiarowe i obracający się selektor (przerywacz optyczny) otrzymywały sygnał modulacji. Oryginalny NDIR HORIBA, z technologią modulacji krzyżowej wykorzystuje jedną komórkę pomiarową. Zasadniczym nowym elementem konstrukcji jest zawór elektromagnetyczny, który przełącza się w stałym czasie (np. 1 Hz) i wprowadza próbkę gazu oraz gaz odniesienia (gaz zerowy) do celi pomiarowej naprzemiennie. Dzięki tej metodzie rozróżnienie między ścieżką optyczną próbki, a referencyjną ścieżką optyczną zostaje wyeliminowane, a ta sama ścieżka optyczna działa naprzemiennie jako ścieżka optyczna próbki i odniesienia. W ten sposób wyeliminowano konieczność stosowania przerywacza optycznego do modulacji wyjścia detektora. Obecność CO, CO2i/lub CH4w próbce gazu powoduje różnicę w natężeniu światła docierającego do detektora, gdy cela jest wypełniona próbką gazu, w porównaniu do sytuacji, gdy ogniwo jest wypełnione gazem odniesienia. Różnica ta powoduje, że metalowa membrana w detektorze porusza się do przodu i do tyłu, co odpowiada wartości stężenia.
Ta technika pomiarowa eliminuje potrzebę stosowania optycznego modulatora lub regulacji optycznych, umożliwia pomiar bez dryfu, zwiększa czułość i zapewnia długoterminową stabilność.
"Cross-modulation dual-beam NDIR" (modulacja krzyżowa o dwu wiazkach) to ta sama technika, co modulacja krzyżowa opisana powyżej, ale zamiast jednej celi pomiarowej, gaz próbny i gazy odniesienia są naprzemiennie wprowadzane do dwóch cel pomiarowych (patrz rysunek 3). Dzięki pozyskiwaniu sygnału z dwóch cel udało nam się uzyskać podwójną ilość sygnału, co przyczyniło się do wysokiej czułości pomiaru.
Ponadto stosunek sygnału do szumu jest znacznie lepszy, ponieważ usunięto przerywacz optyczny, który w konwencjonalnym NDIR powoduje znaczny szum.
W technice tej zastosowano system podwójnego detektora w celu zminimalizowania zakłóceń ze strony innych, niemierzonych składników współwystępujących w próbce gazu.
Detektor kompensacyjny znajduje się za głównym detektorem. Sygnał składowej pomiarowej + składowej interferencyjnej jest wyodrębniany przez główny detektor, a sygnał składowej interferencyjnej jest wyodrębniany przez detektor kompensacyjny. Sygnały te są wzmacniane i obliczane przez układ przetwarzania sygnału, w celu wyodrębnienia wyjścia tylko docelowej składowej pomiarowej. Taka konstrukcja podwójnego detektora umożliwia bardzo dokładny pomiar i precyzję na poziomie ppb.
Technika Cross-Modulation Dual-Beam Non-Dispersive Infrared. Schemat przepływu
Wykres 1 pokazuje poziom szumu w NDIR z modulacją krzyżową dwuwiązkową. Na pierwszy rzut oka widać, że poziom szumu jest bliski zeru, a odczyt analizatora jest niezwykle stabilny.
Podsumowując, nasza oryginalna technologia HORIBA wykorzystująca modulację krzyżową dwuwiązkową NDIR gwarantuje długoterminową stabilność, brak szumów optycznych i brak dryfu nawet w przypadku pomiaru stężeń śladowych w gazie o wysokiej czystości.
Wykres 1: Poziom szumów NDIR w przypadku modulacji krzyżowej dwuwiązkowej
Analizator gazów śladowych
Masz pytania lub prośby? Skorzystaj z tego formularza, aby skontaktować się z naszymi specjalistami.
