background image

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

=  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) 

 
  

background image

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 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

  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: 

background image

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 

–gęstość gazu w warunkach panujących w przepływomierzu P

v

 i T

v

, kg/m

 

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. 
 
 
 
 
 

background image

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 

background image

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