Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1
1. POMIAR G
STOŚCI 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 SKA
ADU CHEMICZNEGO GAZU
Gazy odlotowe, czyli gazy odprowadzane z różnych procesów przemysłowych, stanowią
mieszaninę gazów i par (np. O2, CO2, CO, N2, NO, NO2, SO2, HCl, HF,CxHy, H2O). 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 SKA
ADU CHEMICZNEGO SPALIN
Analizatory stosowane w pomiarach składu chemicznego spalin pochodzących z procesu
energetycznego spalania paliw wykorzystuje siÄ™ do:
Øð kontroli procesu spalania (O2, CO),
Øð oznaczenia zawartoÅ›ci normowanych substancji zanieczyszczajÄ…cych (SO2, NOx w
przeliczeniu na NO2),
Øð okreÅ›lania gÄ™stoÅ›ci 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. G
STOŚĆ SPALIN
GÄ™stość gazu rð o ciÅ›nieniu absolutnym P i temperaturze T, z dostatecznie dobrÄ… dokÅ‚adnoÅ›ciÄ…,
obliczyć można z równania stanu gazu (równanie Clapeyrona)
P
rð =ð . (1)
R T
Wprowadzając do równania stanu gazu umowną wartość ciśnienia Pu = 101300 Pa oraz umowną
wartość temperatury Tu = 273 K, uzyskuje się wzór na gęstość gazu w umownych warunkach
ciśnienia i temperatury
Pu
rðu =ð . (2)
R Tu
gdzie: R - stała gazowa gazu wilgotnego, J/(kg K),
RS +ð 461,5 X
R =ð (3)
1 +ð X
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1
461,5  stała gazowa pary wodnej, J/(kg K)
X  stopień zawilżenia gazu, kg pary wodnej/kg gazu suchego
Rs  stała gazowa gazu suchego, J/(kg K),
8314,7
RS =ð (4)
i=ðn
uis
åðmði
i=ð1
gdzie: µi  masy molowe poszczególnych skÅ‚adników mieszaniny gazów, kg/kmol
uis  udział objętościowy poszczególnych składników mieszaniny gazów
Gęstość gazu w rzeczywistych warunkach ciśnienia P i temperatury T wyraża zależność
P Tu
rð =ð rðu . (5)
Pu T
uzyskana ze skojarzenia równań (1) i (2).
Przeliczenia udziałów objętościowych składników gazu suchego uis na udziały objętościowe w
gazie wilgotnym ui dokonuje się według zależności
ui =ð (ð1 -ð uH2O)ð uis (6)
gdzie uH2O  udział objętościowy pary wodnej w gazie wilgotnym.
Udział objętościowy pary wodnej w gazie wilgotnym uH2O i stopień zawilżenia gazu X wiąże
zależność
X
uH 2O =ð (7)
RS
+ð X
461,5
.
1.5. WILGOTNOŚĆ SPALIN
Do pomiaru wilgotności gazu można zastosować szereg przyrządów, które należą do trzech
podstawowych grup, związanych z odmiennymi zasadami działania:
Øð higrometry mierzÄ…ce temperaturÄ™ punktu rosy gazu; w tym celu obniża siÄ™ temperaturÄ™
czujnika higrometru, aż do momentu osiągnięcia temperatury punktu rosy tr, przy której na
powierzchni czujnika nastÄ…pi wykroplenie pary wodnej,
Øð psychrometry zÅ‚ożone 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,
Øð higrometry wykorzystujÄ…ce zmianÄ™ parametrów mechanicznych lub elektrycznych ciaÅ‚
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:
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1
3600 ×ð mH O (1+ð X )
n
2
X =ð X +ð (8)
n
&ð
rðvVvDðtð
gdzie: Xn  stopień zawilżenia gazu dla stanu nasycenia odczytany z tablic dla temperatury
panujÄ…cej w wykraplaczu,
mH2O  masa wody wytrÄ…conej w wykraplaczu, kg
rðv  gÄ™stość gazu w warunkach panujÄ…cych w przepÅ‚ywomierzu Pv i Tv, kg/m3
&ð
Vv  strumień objętości aspirowanego gazu gazu, m3/h
Dðtð  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:
3600×ð Dðmabs
X =ð (9)
&ð
rðvsVvsDðtð
gdzie: Dðmabs  przyrost masy absorbera po czasie Dðtð
1.5.3. Wyznaczenie stopnia zawilżenia gazu metodą psychrometryczną
Metoda ta polega na pośrednim zmierzeniu ciśnienia cząstkowego pary wodnej PH2O zawartej w
gazie o temperaturze ts wg wzoru:
PH O =ð Pn -ðCjð ×ðDðT ×ð Pjð (10)
2 m
gdzie: Pnm  ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego
Tm odczytane z tablic, Pa
DðT  różnica psychrometryczna DðT=Ts-Tm, K
Pjð - ciÅ›nienie absolutne gazu w psychrometrze, Pa
wm  prędkość gazu opływającego czujnik termometru mokrego, m/s
Cjð - współczynnik psychrometryczny, K-1
6,75
Cjð =ð (65 +ð ) ×ð10-ð5 (11)
wm
Stopień zawilżenia gazu oblicza się ze wzoru:
Rs PH O
2
X =ð (12)
RH O Pjð -ð PH O
2 2
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 (O2). Przykład takiej charakterystyki przedstawia
rys.1.1.
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1
CO2max, % vol.
GZ-50
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
Olej opałowy
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 O2, natomiast zawartość CO2 jest obliczana wg
zależności:
CO2 = (CO2)max (1-O2/20,9), %
gdzie: CO2  udział objętościowy dwutlenku węgla w spalinach suchych, %
(CO2)max  maksymalny udział objętościowy dwutlenku węgla w spalinach suchych zależny
od rodzaju paliwa, %
O2  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
·ð odczyt parametrów otoczenia
·ð sporzÄ…dzenie szkicu schematu stanowiska laboratoryjnego i zebranie informacji o przyrzÄ…dach
na nim zainstalowanych
·ð odczyty wskazaÅ„ analizatora gazu i termometru mierzÄ…cego temperaturÄ™ spalin
·ð pozyskanie z udostÄ™pnionych 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
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013
Kontrola emisji zanieczyszczeń ćwiczenie laboratoryjne nr 1
·ð obliczenie gÄ™stoÅ›ci: gazu suchego w warunkach umownych, gazu wilgotnego w warunkach
umownych i gazu wilgotnego w warunkach rzeczywistych
·ð okreÅ›lenie skÅ‚adu chemicznego spalin wilgotnych (wszystkie skÅ‚adniki mieszaniny gazu
wyrażone w udziałach objętościowych)
1.8. ZAKRES SPRAWOZDANIA
·ð nazwa laboratorium
·ð nazwa ćwiczenia
·ð imiÄ™ i NAZWISKO studenta
·ð data pomiaru
·ð parametry otoczenia
·ð schemat stanowiska laboratoryjnego wraz z identyfikacjÄ… zainstalowanych przyrzÄ…dów
pomiarowych
·ð wyniki pomiarów i obliczeÅ„
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 metodÄ… grawimetrycznÄ…
[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
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery dr inż. Maria Mazur Wrocław, 2012/2013