Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013

1.

POMIAR GĘSTOŚCI GAZÓW WILGOTNYCH

1.1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest obliczenie gęstości spalin w oparciu o analizę składu chemicznego gazu
suchego oraz oznaczenie zawartości pary wodnej w gazie.

1.2. ANALIZA SKŁADU CHEMICZNEGO GAZU

Gazy odlotowe, czyli gazy odprowadzane z różnych procesów przemysłowych, stanowią
mieszaninę gazów i par (np. O

2

, CO

2

, CO, N

2

, NO, NO

2

, SO

2

, HCl, HF,CxHy, H

2

O). Zawartość

poszczególnych składników tej mieszaniny określa się różnymi metodami przy użyciu
analizatorów, których działanie opiera się na wykorzystaniu określonych zjawisk fizyko-
chemicznych. W praktyce pomiarowej zastosowanie znalazły metody optyczne, elektrochemiczne,
fizyczne oraz chemiczne o różnym stopniu zautomatyzowania [1].

1.3. ANALIZA SKŁADU CHEMICZNEGO SPALIN

Analizatory stosowane w pomiarach składu chemicznego spalin pochodzących z procesu
energetycznego spalania paliw wykorzystuje się do:

 kontroli procesu spalania (O

2

, CO),

 oznaczenia zawartości normowanych substancji zanieczyszczających (SO

2

, NOx w

przeliczeniu na NO

2

),

 określania gęstości spalin.

W przypadku pomiaru wykonywanego w celu określenia gęstości spalin istotne jest określenie tych
składników, których zawartość przekracza 1% udziału objętościowego, jako że mniejsze ich
ilości nie wpływają w istotny sposób na gęstość mieszaniny gazów.
Zdecydowana większość analizatorów wymaga wstępnego osuszenia analizowanego gazu, co
oznacza, że wyniki analizy określają skład spalin suchych. Wilgotność spalin, czyli zawartość
pary wodnej w spalinach, określa się zwykle innymi metodami.

1.4. GĘSTOŚĆ SPALIN

Gęstość gazu



o ciśnieniu absolutnym P i temperaturze T, z dostatecznie dobrą dokładnością,

obliczyć można z równania stanu gazu (równanie Clapeyrona)

T

R

P





. (1)

Wprowadzając do równania stanu gazu umowną wartość ciśnienia P

u

= 101300 Pa oraz umowną

wartość temperatury T

u

= 273 K, uzyskuje się wzór na gęstość gazu w umownych warunkach

ciśnienia i temperatury

u

u

u

T

R

P





. (2)

gdzie: R - stała gazowa gazu wilgotnego, J/(kg K),

X

1

X

5

,

461

R

R

S







(3)

Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013

461,5 – stała gazowa pary wodnej, J/(kg K)

X – stopień zawilżenia gazu, kg pary wodnej/kg gazu suchego

R

s

– stała gazowa gazu suchego, J/(kg K),









n

i

1

i

s

i

i

S

u

7

,

8314

R



(4)

gdzie: µ

i

–masy molowe poszczególnych składników mieszaniny gazów, kg/kmol

s

i

u

– udział objętościowy poszczególnych składników mieszaniny gazów

Gęstość gazu w rzeczywistych warunkach ciśnienia P i temperatury T wyraża zależność

T

T

P

P

u

u

u







. (5)

uzyskana ze skojarzenia równań (1) i (2).
Przeliczenia udziałów objętościowych składników gazu suchego

s

i

u na udziały objętościowe w

gazie wilgotnym u

i

dokonuje się według zależności





s

i

O

H

i

u

u

1

u

2





(6)

gdzie u

H2O

– udział objętościowy pary wodnej w gazie wilgotnym.

Udział objętościowy pary wodnej w gazie wilgotnym u

H2O

i stopień zawilżenia gazu X wiąże

zależność

X

5

,

461

R

X

u

S

O

2

H





(7)

.
1.5.

WILGOTNOŚĆ SPALIN

Do pomiaru wilgotności gazu można zastosować szereg przyrządów, które należą do trzech
podstawowych grup, związanych z odmiennymi zasadami działania:


higrometry mierzące temperaturę punktu rosy gazu; w tym celu obniża się temperaturę
czujnika higrometru, aż do momentu osiągnięcia temperatury punktu rosy t

r

, przy której na

powierzchni czujnika nastąpi wykroplenie pary wodnej,



psychrometry złożone z termometru suchego i mokrego, z którego w otoczeniu gazu
nienasyconego, odparowuje woda powodując jego oziębienie, a w efekcie powstanie tzw.
psychrometrycznej różnicy temperatur, która jest miarą wilgotności gazu,



higrometry wykorzystujące zmianę parametrów mechanicznych lub elektrycznych ciał
stałych pod wpływem wilgotności; wymienić tu można higrometry: włosowe, rezystancyjne,
pojemnościowe.

Znaczna część w/w przyrządów znajduje zastosowanie głównie do pomiarów wilgotności
powietrza, dlatego też na potrzeby określania wilgotności spalin stosuje się odmienne techniki
pomiaru opisane np. w [1, 2].

1.5.1. Wyznaczenie stopnia zawilżenia gazu metodą kondensacyjną

Pobieraną z kanału przepływowego próbkę gazu o znanej objętości poddaje się ochładzaniu w
naczyniu o dużej objętości, tzw. wykraplaczu, gdzie następuje częściowe wykroplenie pary wodnej
zawartej w gazie. Wartość X wyznacza się z zależności:

Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013















v

v

n

O

H

n

V

X

m

X

X



)

1

(

3600

2

(8)

gdzie: X

n

– stopień zawilżenia gazu dla stanu nasycenia odczytany z tablic dla temperatury

panującej w wykraplaczu,

m

H2O

– masa wody wytrąconej w wykraplaczu, kg



v

–gęstość gazu w warunkach panujących w przepływomierzu P

v

i T

v

, kg/m

3

v

V

– strumień objętości aspirowanego gazu gazu, m

3

/h



–czas pomiaru, s

1.5.2. Wyznaczenie stopnia zawilżenia gazu metodą absorpcyjną

Pobieraną z kanału przepływowego próbkę gazu o znanej objętości przepuszcza się przez osuszacz
(absorber wilgoci), w którym następuje usuniecie praktycznie całej wilgoci zawartej w gazie.
Wartość X wyznacza się z zależności:













vs

vs

abs

V

m

X



3600

(9)

gdzie:



m

abs

– przyrost masy absorbera po czasie



1.5.3. Wyznaczenie stopnia zawilżenia gazu metodą psychrometryczną

Metoda ta polega na pośrednim zmierzeniu ciśnienia cząstkowego pary wodnej P

H2O

zawartej w

gazie o temperaturze t

s

wg wzoru:





P

T

C

P

P

m

n

O

H











2

(10)

gdzie: P

nm

– ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego

T

m

odczytane z tablic, Pa



T – różnica psychrometryczna



T=T

s

-T

m

, K

P



- ciśnienie absolutne gazu w psychrometrze, Pa

w

m

– prędkość gazu opływającego czujnik termometru mokrego, m/s

C



- współczynnik psychrometryczny, K

-1

5

10

)

75

,

6

65

(









m

w

C



(11)

Stopień zawilżenia gazu oblicza się ze wzoru:

O

H

O

H

O

H

s

P

P

P

R

R

X

2

2

2







(12)

1.5.3. Wyznaczenie stopnia zawilżenia gazu metodą obliczeniową

W przypadku spalania paliw o znanym składzie chemicznym, do obliczenia zawartości wilgoci w
spalinach wykorzystuje się równania stechiometryczne spalania. Ponieważ spaliny mają wilgotność
wyższą od powietrza atmosferycznego, spalanie z dużym nadmiarem powietrza obniża zawartość
wilgoci w spalinach. Do szacunkowego określenia stopnia zawilżenia spalin można więc
wykorzystywać empiryczne charakterystyki X = f (O

2

). Przykład takiej charakterystyki przedstawia

rys.1.1.

Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013

Rys.1.1. Charakterystyka zależności stopnia zawilżenia spalin

od zawartości tlenu w spalinach suchych

1.6.

KOMENTARZ DO ĆWICZENIA

Analizie składu chemicznego poddane zostaną spaliny pochodzące ze spalania paliwa gazowego
GZ-50. Analiza przeprowadzona będzie typowym automatycznym analizatorem spalin (np.
MADUR). Analizatory tego typu mierzą zawartość O

2

, natomiast zawartość CO

2

jest obliczana wg

zależności:
CO

2

= (CO

2

)max (1-O

2

/20,9), %

gdzie: CO2 – udział objętościowy dwutlenku węgla w spalinach suchych, %

(CO

2

)

max

– maksymalny udział objętościowy dwutlenku węgla w spalinach suchych zależny

od rodzaju paliwa, %
O

2

– udział objętościowy tlenu w spalinach suchych, %.

Przystąpienie do ćwiczeń laboratoryjnych poprzedzone będzie kartkówką z następujących
zagadnień: równanie stanu gazu i jego zastosowanie do obliczania gęstości spalin w różnych
warunkach ciśnienia i temperatury, definicja stopnia zawilżenia gazu, algorytm działań mających
na celu ustalenie udziałów objętościowych poszczególnych składników spalin wilgotnych.

1.7. ZAKRES ĆWICZENIA



odczyt parametrów otoczenia



sporządzenie szkicu schematu stanowiska laboratoryjnego i zebranie informacji o przyrządach
na nim zainstalowanych



odczyty wskazań analizatora gazu i termometru mierzącego temperaturę spalin



pozyskanie z udostępnionych w laboratorium materiałów informacji dodatkowych takich jak:

gęstości umowne czy masy molowe składników spalin, maksymalny udział objętościowy
dwutlenku węgla w spalinach czy stopień zawilżenia spalin jako funkcja zawartości tlenu w
spalinach

GZ-50

Olej opałowy

CO

2max

, % vol.

Węgiel kam. 18,5
Węgiel brun. 18,2
Mazut 16,1
Olej opał. lekki 15,3
GZ-50 19,7
GZ-41,5 14,3
GZ-35 11,2
Propan 13,7
Butan 14,1

Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013



obliczenie gęstości: gazu suchego w warunkach umownych, gazu wilgotnego w warunkach
umownych i gazu wilgotnego w warunkach rzeczywistych



określenie składu chemicznego spalin wilgotnych (wszystkie składniki mieszaniny gazu

wyrażone w udziałach objętościowych)

1.8. ZAKRES SPRAWOZDANIA



nazwa laboratorium



nazwa ćwiczenia



imię i NAZWISKO studenta



data pomiaru



parametry otoczenia



schemat stanowiska laboratoryjnego wraz z identyfikacją zainstalowanych przyrządów
pomiarowych



wyniki pomiarów i obliczeń

Literatura uzupełniająca

[1] Mazur. M.: Kontrola emisji zanieczyszczeń, prezentacja wykładu w wersji elektronicznej
Wrocław, 2012/2013: rozdz. 2. Okresowe pomiary przepływu - Przykład 1, rozdz. 3 Okresowe
pomiary stężenia pyłu, rozdz. 6. Pomiary zanieczyszczeń gazowych- systematyka metod

[2] PN–Z-04030-7:1994: Badania zawartości pyłu. Pomiar stężenia i strumienia masy pyłu w
gazach odlotowych metodą grawimetryczną

[3] Mazur. M., Teisseyre M.: Zasilanie palników pyłowych kotła energetycznego – zagadnienia
pomiarowe (rozdz. 2.2.3. Gęstość gazu), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 2008

Wrocław, 14.02.2013