Fiber optic coupled ultraviolet spectrometer for industrial gas analysis of hydrogen sulfide and ammonia

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2021-01-25

Department

Major/Subject

Translational Engineering

Mcode

ELEC3023

Degree programme

AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)

Language

en

Pages

65 + 8

Series

Abstract

Biogas is a renewable fuel that is produced from organic waste and used for producing electric energy, heat and fuel. Biogas usage as an alternative to other fossil fuels has increased in recent years. The output yield of methane from anaerobic digestion process is affected by trace substances such as hydrogen sulfide (H2S) and ammonia (NH3) that inhibit the process. Therefore, it is vital to monitor and control the amount of these gases in the biogas process. The aim of this thesis was to build and evaluate the viability of a proof-of-concept instrument for measuring H2S and NH3 concentrations in gas mixtures. The first goal was to investigate if the system could identify these gases from a gas mixture. The second goal was to evaluate the measurement performance of the proposed measurement instrument. A laboratory setup was built for preparing and measuring concentrations of gas mixtures with H2S and NH3 gases. The measurement performance of the built setup was evaluated by measuring concentrations of known synthetic mixtures with varying gas contents. Estimates for wavelength stability, resolution stability and instrumental noise were also assessed. In addition, uncertainty analysis was carried out for the dilution system, that was used for preparing the gas mixtures, and the measurement algorithm. The concept was able to identify the gases, but the measurement accuracy still requires further improvement. Preparation of diluted H2S gas samples was proved to be working but NH3 sample preparation requires further investigation.

Biokaasu on uusiutuva energianlähde, jota valmistetaan orgaanisesta jätteestä ja käytetään sähköenergian, lämmön ja polttoaineen tuotantoon. Biokaasun kulutus vaihtoehtona muille fossiilisille polttoaineille on viime vuosina kasvanut. Metaanin ulostulosaantoon anaerobisesta hajoamisprosessissa vaikuttavat jäänneaineet kuten rikkivety (H2S) ja ammoniakki (NH3), jotka hidastavat hajoamisprosessia. Tämän takia on tärkeää mitata ja hallita näiden kaasujen määrää biokaasuprosessissa. Tämän työn tarkoituksena oli rakentaa ja arvioida mittausinstrumenttikonseptin toimivuutta H2S ja NH3 kaasujen konsentraatioiden mittaamisesta kaasuseoksessa. Ensimmäinen tavoite oli tutkia, onko järjestelmä kykeneväinen tunnistamaan nämä kaasut kaasuseoksesta. Toinen tavoite oli arvioida työssä esitetyn mittausinstrumentin suorituskykyä. Laboratoriolaitteisto rakennettiin valmistamaan ja mittaamaan H2S ja NH3 sisältävien kaasuseoksien konsentraatioita. Rakennetun laitteiston mittaussuorituskykyä arvioitiin mittaamalla tunnettujen synteettisten kaasusekoitusten, joissa kaasukoostumusta vaihdeltiin, konsentraatioita. Arviot esitettiin myös aallonpituuden stabiilisuudelle, resoluution stabiilisuudelle ja instrumentin kohinalle. Lisäksi epävarmuusanalyysi suoritettiin laimennusjärjestelmälle, jolla kaasuseokset valmistettiin, sekä mittausalgoritmille. Konseptilla kyettiin tunnistamaan kaasut, mutta mittaustarkkuus vaatii vielä jatkokehitystä. Laimennettujen H2S-kaasunäytteiden valmistus todettiin toimivaksi, mutta NH3-näytteiden valmistus vaatii vielä jatkoselvitystä.

Description

Supervisor

Ikonen, Erkki

Thesis advisor

Heikkilä, Antti

Keywords

hydrogen sulfide, ammonia, spectroscopy, fiber optics, ultraviolet, biogas

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202101311767

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC