بخشی از مقاله
-1 چکیده :
درمقاله حاضر نتایج پروژه تحقیقاتی طراحی و ساخت دستگاه اندازه گیری اکسیژن در دود ارائه میشود. در ابتدا بصورت مختصر فن آوری پیشرفته اندازه گیری اکسیژن با استفاده از سنسورهای اکسید زیرکونیومی توضیح داده می شود. سپس مراحل طراحی و ساخت دستگاه که با بهره گیری از سیستمهای مبتنی بر میکروکنترلر انجام شده تشریح میشوند. در این راستا ابتدا ورودیها وخروجیهای آنالوگ و دیجیتال دستگاه و نقش هر کدام مشخص شده و سپس قسمتهای اصلی سخت افزار سیستم و نرم افزار آن تشریح می شود. در این توضیحات مشخصات و دلیل انتخاب هر قسمت مشخص خواهد شد.
-2 مقدمه
یکی از عمده ترین آلاینده های محیط زیست، مواد حاصل از احتراق سوختهای فسیلی است. به منظوربهینهسازی پارامترهای پروسه احتراق، اندازه گیری آنهانقش مهمی دارد و در این میان، اندازه گیری اکسیژن موجود در دود و کنترل مقدار آن، یکی از بیشترین اثرات را دارا است.درصنعت تولیدبرق نیز مانند بسیاری از صنایع دیگر، انرژی لازم برای تولید برق از احتراق سوختهای
فسیلی بدست می آید و با توجه به گستردگی و حجم زیاد انرژی الکتریکی تولیدی، لازم است میزان اکسیژن دردود، دقیقاً اندازه گیری شده و بهینهسازی احتراق انجام پذیرد.برای انجام واکنش سوختن، علاوه بر سوخت به اکسیژن و دمای احتراق نیاز است.
میزان هوای لازم دریک سوخت کامل و با راندمان صددرصد را میتوان بااستفاده از معادله سوخت و موازنه شیمیائی آن بدست آورد، اما در عمل هوا به طور کامل با سوخت ترکیب نمی شود. به همین دلیل لازم است اندکی بیش از آنچه از موازنه شیمیایی سوخت بدست می آید هوا به محل احتراق وارد نمود. این هوا را هوای اضافی - Excess Air - مینامند. هوای اضافی باعث می شود که کربنهای بیشتری از سوخت با اکسیژن ترکیب شده و دی اکسید کربن - Co2 - ایجاد نماید و راندمان سوخت بالا برود. برعکس وقتی که میزان اکسیژن کافی نباشد به جای تولید دی اکسید کربن، گاز منواکسید کربن ایجاد می شود و راندمان سوخت کاهش مییابد.
از سوی دیگر اگر چه هدف بدست آوردن مقادیربیشتر دی اکسیدکربن از طریق افزایش هوای سوخت است ،ولی هوا را نمیتوان بیشتر از حد مورد نیاز وارد بویلر کردچرا که تزریق هوا بیش از حد مورد نیاز، موجب میشود که اکسیژن های اضافی بدون آنکه باکربن ترکیب شوند، حرارت ایجاد شده در بویلر را به خود جذب کرده و همراه دود خارج شوند و بدینوسیلهموجب پائین آمدن راندمان بویلرمیشوند، بعلاوه اینکه اکسیژن حرارت دیده دارای میل ترکیب با نیتروژن است وگازهای Nox ایجاد میکند و این گازها نیز جزء آلاینده ها محسوب میشوند. لذا مشاهده میشود که در یک محدوده معین، بازدهی سوخت بالاست وخوشبختانه در همین محدوده گازهای آلاینده محیطزیست نیز به حداقل می رسند.
بنابراین میتوان گفتمانیتورینگ اکسیژن در دود جهت تنظیم هوا، موجببازدهی بالا و کاهش آلودگی هوا می شود.شکل - 1 - این موضوع را نشان می دهد. سئوالی کهاکنون مطرح است آن است که باتوجه به معین بودن نوع سوخت آیا میتوان میزان هوای اضافی را از قبلتعیین کرد. طوریکه به تنظیم و مانیتورینگ آن نیازی نباشد ؟ در پاسخ باید گفت که در عمل واکنشسوخت خیلی پیچیده تر از موازنه شیمیائی آن است و عواملی چون ناخالصی ماده سوختنی، میزان رطوبت،قطر ذرات ماده سوختنی و تغییر شرایط جوی موجب تغییر بازدهی عمل سوخت می شود و لذا ضروریاست میزان اکسیژن در دود به طور مداوم و پیوستهنظارت و کنترل شود.
نتایج آزمایشات و محاسبات و تحقیقات صورت گرفته در نیروگاه شهید محمد منتظری اصفهان حاکی از آن است که با بهبود شرایط احتراق و هدایت پروسه احتراق به سمت نقطه بهینه، صرفه جوئی در مصرف گاز طبیعی برای تولید مقدار معینی انرژی الکتریکی، بسیار زیاد خواهد بود و اگر این محاسبات به کل انرژی الکتریکی که از احتراق سوختهای فسیلی بدست می آید ، تعمیم داده شود در آنصورت میزان سوخت صرفه جوئی شده ، و بالتبع میزان کاهش در آلاینده های هوا، با ارقام نجومی قابل بیان است.[ 1 ] در حال حاضر دراغلب نیروگاههای کشور دستگاههای اکسیژن آنالایزر در دود یا کلاً از کار افتاده و یا کارکرد مطمئنی ندارند و این مسئله خصوصاً با گاز سوز شدن واحدهای نیروگاهی و عدم امکان استفاده از شفافیت دود برای کنترل کیفیت احتراق،اهمیت استفاده از اکسیژن آنالایزرهای نوین را آشکار می سازد.
-3 روشهای اندازه گیری اکسیژن در دود
روشهای مختلفی برای اندازه گیری میزان اکسیژن
در دود وجود دارد. برخی از این روشها نظیر کروماتوگرافی جزء روشهای شیمیایی هستند و برخی روشهای دیگر الکتروشیمیایی هستند. در حالت اخیر یک جریان یا ولتاژ الکتریکی که مبین میزان اکسیژن دردود است ایجاد میشود. ازجمله این روشها میتوان به روشهای مغناطیسی، اثر هال و سنسور زیرکونیوم اشاره نمود. روش های الکتروشیمیایی برای مانیتورینگ مناسب هستند. در این میان استفاده از اکسید زیرکونیوم برای تعیین میزان اکسیژن در محیطهای با دمای بالا - از 300 درجه به بالا - بسیار مناسباست و از نظر دقت، پاسخ زمانی، صحت و قابلیت اطمینان و مدت زمان عملکرد و قیمت نسبت به سنسورهای دیگر برتری دارد.
-4 اصول عملکرد سنسور اکسید زیرکونیوم
سنسور اکسید زیر کونیوم شبیه به یک الکترولیت جامد - - Solid Electrolyte است. این سنسور در دمای بالاتر از 600°c خاصیت الکترولیتی از خود نشان میدهد. این سنسور از اکسید زیرکونیوم ساخته شده ودارای دو سطح داخلی و خارجی است و سطوح آن توسط فلز پلاتین پوشش داده شده اند. شکل - 2 - شماتیک یک سنسور زیر کونیوم را نشان می دهد.اگر سنسور در دمای بالاتر از 600°c قرار گیرد و فشار اکسیژن در دو طرف سنسور یکسان نباشد، مولکولهای اکسیژن از سمت فشار بالاتر به سمت فشار پائین تر نفوذ می کند و در آنجا بر اساس معادلهنرنست - اینشتین یک نیروی محرکه الکتروموتوری - EMF - در دو طرف سنسور بوجود می آید که در نهایت از مهاجرت بیشتر اکسیژن جلوگیری میکند.در حالت تعادل نیروی محرکه الکتروموتوری از رابطه زیر بدست می آید :
دراین رابطه EMF نیروی محرکه الکتروموتوری بر حسب ولت، n = 4 و F ثابت فارادی و برابر با 96500 c/mole و R ثابت عمومی گازها و برابر8.314 mole/K، T دمای سنسور برحسب کلویناست. با توجه به پایداری میزان اکسیژن در هوای آزاد،معمولاً از هوای آزاد بعنوان مرجع استفاده می شود.دراین حالت فشار اکسیژن در هوای آزاد و خشک درحدود %20/9 یا تقریباً %21 فشار هواست. ساختمانداخلی سنسور اکسید زیرکونیوم معمولاً به شکل U
