POMIAR SKŁADU

CHEMICZNEGO SPALIN

Andrzej Wawszczak

42 631 25 97

[e-mail]

JAKOŚĆ SPALANIA

Jakość procesu spalania jest określana na podstawie analizy składu spalin,
który zależy od rodzaju paliwa i warunków w jakich przeprowadzono
spalanie.
W przypadku niezupełnego spalania, spowodowanego: zbyt małym
strumieniem powie-trza doprowadzanym do paleniska, niedostatecznym
jego wymieszaniem z paliwem lub zbyt niską temperaturą w palenisku w
spalinach pojawiają się gazy palne: H

2

, CH

4

i inne węglowodory, a przede

wszystkim CO. Obecność gazów palnych w spalinach wyloto-wych z kotła
powoduje tzw. straty niezupełnego spalania.
Dla każdego rodzaju paliwa jest określona niezbędnie, potrzebna do
spalania,

ilość

powietrza

na

jednostkę

paliwa,

teoretyczne

zapotrzebowanie powietrza v

pt

[m

3

/kg], które zależy od elementarnego

składu paliwa. W warunkach rzeczywistych, do przeprowadze-nia procesu
spalania, powietrze należy dostarczyć w nadmiarze:

 v

pr

=  · v

pt

gdzie:  - nadmiar powietrza,

v

pr

- rzeczywista ilość powietrza.

Temperatura powietrza dostarczonego do paleniska jest niższa od
temperatury spalin wylotowych, czyli powietrze podgrzewając się, odbiera
z paleniska część ciepła. Każda zbędna ilość powietrza, nie biorąca udziału
w procesie spalania, wychodząc z kotła unosi do atmosfery część ciepła,
powodując powiększenie, tzw. straty wylotowej.
W celu ograniczenia tej straty oraz aby nie dopuścić do występowania strat
niezupełnego spalania, wartość nadmiaru powietrza  przykładowo w

palenisku pyłowym jest utrzymy-wana w zakresie od 1,2 do 1,3 (1.4).

Przy spalaniu zupełnym paliwa z nadmiarem powietrza - w spalinach
pojawia się tlen O

2

, a udział objętościowy dwutlenku węgla CO

2

, zależnie

od składu chemicznego paliwa, odpowiednio zmniejsza się.

Objętościowa zawartość: CO, CO

2

i O

2

w spalinach w funkcji wartości

nadmiaru powietrza  przy spalaniu pyłu z węgla kamiennego w komorze

paleniskowej.

 zmiany nadmiaru powietrza w czasie ustalonej pracy kotła

dla węgla kamiennego: CO

2

= 13,8%, O

2

= 3,2%, SO

2

= 0,2%, N

2

= 73%, H

2

O

= 9,8%,
dla węgla brunatnego: CO

2

= 11,5%, O

2

= 2,6%, SO

2

= 0,1%, N

2

= 61%, H

2

O

= 24,8%.

Nadmiar powietrza  określić można na podstawie analizy składu spalin z

uproszczo-nych zależności:

gdzie: N

2

= 100 – (CO

2

+O

2

+CO).

lub w przypadku spalania zupełnego:

gdzie: v

st

- teoretyczna objętość spalin suchych przy =1,

CO

2max

- maksymalna zawartość CO

2

w spalinach (przy =1) dla

określonego

składu paliwa.

Wartość CO

2max

orientacyjnie wynosi:

• dla węgla kamiennego

- (18,519,1) %,

• dla węgla brunatnego - (18,719,5) %.
W praktyce eksploatacyjnej korzysta się ze uproszczonych wzorów:

Dla wyznaczenia nadmiaru powietrza należy określić objętościowe udziały
składników
w [%] w spalinach suchych.
Dla wyznaczenia nadmiaru powietrza na podstawie zawartości CO

2

w

spalinach jest wy-magana znajomość elementarnego składu paliwa, aby
wyznaczyć CO

2max

. Wyznaczenie  na podstawie pomiaru zawartości O

2

jest

łatwiejsze.























2

CO

O

N

79

21

21

2

2

1

1

CO

CO

v

v

2

max

2

pt

st























2

O

21

21







2

max

2

CO

CO





Poza

energetycznym

aspektem analizy składu spalin, występują również

aspekty

ekolo

-

giczne

i

trwałości

urządzeń energetycznych.

W warunkach spalania paliwa zawierającego siarkę występują w spalinach
jej

tlenki

SO

2

i

SO

3

, oznaczane ogólnie

SO

X

. Trójtlenek siarki w połączeniu z parą wodną

w spalinach tworzy kwas siarkowy

H

2

SO

4

.

Krople cieczy, powstające przy kondensacji kwasu siarkowego, posiadają
duże napięcie powierzchniowe - utrudniające powtórne ich odparowanie.
Powoduje to, że na powierz-chniach ogrzewalnych, pomimo małej
koncentracji

H

2

SO

4

w spalinach, powstaje duża koncentracja tego kwasu,

niszcząc elementy metalowe.
Podczas spalania, oprócz tlenków siarki, powstaje szereg tlenków azotu:

NO

,

NO

2

,

NO

3

, które oznacza się ogólnie

NO

X

.

Tlenki azotu

podczas spalania powstają głównie w rezultacie utleniania się

azotu atmos-ferycznego zawartego w powietrzu doprowadzonym do
spalania

oraz

azotu

zawartego

w paliwie, szczególnie w wysokich temperaturach i w większej koncentracji
O

2

.

Tlenki azotu

łączą się z parą wodną, tworząc

kwasy azotowe

, powodując

niszczenie hemoglobiny krwi w organizmach żywych. Unoszone do
atmosfery z tlenkami siarki, opadają na ziemię w postaci kwaśnych
deszczów.

ANALIZATORY SPALIN

•

chemiczne

pracujące na zasadzie różnych właściwości chemicznych

poszczególnych

składników spalin,

•

fizyczne

pracujące na zasadzie różnych właściwości fizycznych

składników spalin.
Analizatory spalin - kontrolują proces spalania:

• ciągły pomiar składu chemicznego spalin,

• dokładności,

• czułości,

• zakres pomiarowy,

• szybkości odpowiedzi,

• niewrażliwości na wymuszenia zewnętrzne,

• niezawodności,

• wysoka selektywność.

Selektywność

- zdolność wyróżnienia składnika mieszaniny gazu na

podstawie jego indywidualnej właściwości (wartości ciepła spalania,
przewodności cieplnej, gęstości itp.). Jeżeli właściwość ta jest mniej
powszechna, bardziej niepowtarzalna oraz mniej wrażliwa na zmiany
wielkości wpływających (np. temperatury), tym wybrana zasada analizy
będzie bardziej selektywna.

Klasyfikacja analizatorów spalin:

•

chemiczny objętościowy

- pochłanianie określonych składników przez

odczynniki

chemiczne,

•

termochemiczny

- pomiar ciepła reakcji spalania palnych składników

mieszanin,

•

termokonduktometryczny

- wykorzystanie różnicy przewodności cieplnej

składników

mieszaniny (katarometr – cieplno-przewodnościowy

detektor (TDC)),

•

magnetyczny

- wykorzystanie paramagnetycznej właściwości tlenu,

•

absorpcyjny optyczny

- wykorzystanie absorpcji promieniowania

elektromagnetyczne-

go w zakresie podczerwieni (InfraRed - IR) lub

ultrafioletu (UltraViolet - UV),

•

emisyjny optyczny

- wykorzystanie fluorescencji ultrafioletowej (UV) lub

chemilumines- cencji,

•

elektrochemiczny

- wykorzystanie zjawisk zachodzących na elektrodach

stężeniowego ogniwa chemicznego.

Rodzaje analizatorów

Analizowany składnik gazu

Rodzaj analizatora

S0

2

NO

X

CO C0

2

0

2

HCl CH

X

Absorpcyjny IR

x

x

x

x

x

Absorpcyjny UV

x

x

Fluorescencyjny UV

x

Chemiluminescencyjny

x

Płomieniowo-jonizacyjny

x

Elektrochemiczny

x

x

x

x

x

Magnetyczny

x

Termokonduktometryczny

x

Termochemiczny

x

Chemiczny

x

x

x

x

x

x

ANALIZATORY ABSORPCYJNE

Wykorzystują

zdolność

absorpcyjną

promieniowania

elektromagnetycznego w ściśle określonym, charakterystycznym dla
analizowanej substancji, przedziale długości fal elektromagnetycznych
(widmo absorpcji).
Absorbowana

przez

substancję

część

promieniowania

elektromagnetycznego zwiększa energię ośrodka. Zależnie od chemicznej
struktury związków substancji pobudzeniu podlegają albo same cząsteczki,
atomy lub elektrony.

Rozkład widma względnej wartości absorpcji a niektórych gazów w funkcji

długości fali 

Widmo absorpcji może znajdować się w obszarze podczerwieni (gazy
wieloatomowe), widma widzialnego (roztwory barwne) - metoda
kolorometryczna oraz nadfioletu (Cl

2

, NO

2

, H

2

S, pary Hg itp.).

Gazy dwuatomowe: O

2

, N

2

, H

2

Cl

2

oraz jednoatomowe gazy szlachetne nie

pochłaniają promieniowania podczerwonego.
Jeżeli

przez

warstwę

pochłaniającą

o

grubości

l

przechodzi

monochromatyczna wiązka promieniowania, wówczas ulega ona absorpcji,
przy czym między natężeniem promieniowania I

0

na wejściu do ośrodka, a

natężeniem promieniowania I



na wyjściu, zachodzi zależność, wynikająca z

prawa Lamberta-Bourgera:

I

 

=I

0 

 exp(-a

 

 C  l)

gdzie a



- współczynnik absorpcji,

C - stężenie składnika pochłaniającego.

Można zbudować

jedno-

lub

dwustrumieniowy

analizator gazu.

Dla

analizatora jednostrumieniowego

stężenie składnika:

jest uzależnione od natężenia promieniowania źródła I

0

.

l

a

I

I

ln

C

0











W

analizatorze

dwustrumieniowym

jedna wiązka promieniowania (wiązka

porównawcza) jest przepuszczana przez ośrodek porównawczy o znanym
stężeniu C’ -

różnicowa meto-da pomiaru

, i wówczas stężenie składnika

wynosi:

gdzie:

I



’ - natężenie promieniowania na wyjściu z ośrodka

porównawczego.

Jeżeli w ośrodku porównawczym brakuje składników o właściwościach
składnika bada-nego, wówczas C’ = 0. Według

metody różnicowej

(ewentualnie zerowej) pracują obecnie wszystkie tego typu analizatory
przemysłowe.
Charakterystyczne widma pochłaniania niektórych gazów pokrywają się
lub leżą blisko siebie, np. CO

2

i CO dla   (4  5) m, co wskazuje, że

zdolność absorpcji może być właściwością małoselektywną. Dla
zwiększenia selektywności są stosowane dodatkowe zabiegi. Zmieniający
się udział pary wodnej w spalinach również może wpływać na dokładność
analizatora.

l

a

I

I

ln

C

C

















Uproszczone schematy analizatorów działających na zasadzie

pochłaniania promieniowania:

a) w układzie jednostrumieniowym, b) w układzie dwustrumieniowym:

1 - źródło promieniowania, 2 - układ optyczny, 3 i 3' - kuweta pomiarowa i
porównawcza, 4 i 4' - detektory promieniowania, 5 - układ wzmacniający, 6 - układ
wyjściowy (miernik)

Wiązka promieniowania wychodząca ze źródła promieniowania (1), po
przejściu przez układ optyczny (2), w kuwecie pomiarowej (3) jest
częściowo pochłaniana. Natężenie promieniowania na wyjściu z kuwety,
zależnie od stężenia badanego składnika, jest określone detektorem
promieniowania (4).

ANALIZATOR PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO

NIEDYSPERSYJNY Z SELEKTYWNYM DETEKTOREM

Schemat analizatora gazowego

1, 1’ - promienniki żarzeniowe, 2 - wirująca tarcza modulująca z otworami, 3 - kuweta
pomiarowa,
3’ - kuweta porównawcza, 4, 4’ - komory pochłaniające napełnione gazem, którego
skład jest mierzony (wzrost temperatury i ciśnienia), 5 - silnik napędowy tarczy, 6 -
okładka kondensatora w postaci elastycznej przegrody, 7 - okładka kondensatora w
postaci sztywnej perforowanej przegrody, 8 - układ elektroniczny, 9 - analizowany
gaz, 10 - miernik wywzorcowany w objętościowej zawartości mierzonego składnika
mieszaniny gazowej (spalin).

ANALIZATORY ELEKTROCHEMICZNE

Wykorzystują zjawisko generowania się siły elektromotorycznej w ogniwie
chemicznym (stężeniowym) z elektrolitem ciekłym lub stałym.
W elektrolicie przewodnictwo elektryczne odbywa się na drodze
przewodnictwa jonowego, które polega na uporządkowanym przepływie
cząstek atomów lub drobin obdarzonych ładunkiem elektrycznym. W
odróżnieniu od przewodnictwa elektronowego, w przewodnictwie jonowym,
przenoszenie ładunku jest związane z przenoszeniem masy.
Wzrost temperatury powoduje wzrost prędkości przemieszczenia się jonów,
co jest zwią-zane ze wzrostem przewodnictwa elektrolitu.

Stężeniowe ogniwo tlenowe:

a) zasada działania, b) charakterystyka ogniwa - siła elektromotoryczna w funkcji
zawartości O

2

w spalinach i temperatury t,
1 - elektroda obmywana gazem porównawczym, 2 - elektroda obmywana gazem
analizowanym.

Analizator O

2

- analizator elektrochemiczny ze stałym elektrolitem -

dwutlenkiem cyrkonu ZrO

2

z dodatkiem trójtlenku itru Y

2

O

3

, pokryty

obustronnie platyną w postaci siatki lub pojedynczych drutów,
stanowiących elektrody ogniwa.

)

O

(

p

)

O

(

p

ln

F

n

T

R

E

2

2

2

1









gdzie

R - stała gazowa, 8,314 J/(K  mol),

T - temperatura gazu, K,
F - stała Faradaya, 96485 C/mol
n - liczba elektronów biorących udział w reakcji (n = 4),
p

1

(O

2

), p

2

(O

2

) - ciśnienie cząstkowe tlenu w gazie odniesienia, w gazie

analizowanym, (aktywność molowa).

Jeżeli stężenia tlenu po obu stronach elektrolitu będą jednakowe, to
procesy w ogniwie zanikają. Działanie ogniwa ma miejsce dzięki zasilaniu
tlenem zawartym w powietrzu. Jeżeli z jednej strony elektrolitu jest gaz
odniesienia o znanym stężeniu tlenu, a z drugiej strony gaz analizowany,
to można w sposób ciągły mierzyć zawartość tlenu w mieszani-nie.
Wartość SEM E powstającej na elektrodach ogniwa określa równanie
Nernsta:

Schemat sondy tlenowej

(stężeniowego ogniwa elektrochemicznego ze stałym elektrolitem – ZrO

2

).

1 - elektrolit stały, 2, 2’ - elektrody platynowe, 3 - termoelement płaszczowy (NiCr-
Ni), 4 - grzejnik elektryczny (t = 650

o

C), 5 - rura ceramiczna, 6 - ściana kanału

spalinowego, 7 - filtr ceramiczny,
8 - regulator temperatury, 9 – zasilacz.

Niepewność pomiaru wynosi (1÷2)%.
Analizatory elektrochemiczne pracujące w temperaturze otoczenia z
ciekłymi lub synte-tycznymi elektrolitami są wykorzystywane w
analizatorach: NO

X

, SO

X

, O

2

i CO.

LITERATURA