Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék. Emisszió mérés berendezései

Átírás

1 Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Emisszió mérés berendezései 2009

2 Az emisszió mérés célja A tüzeléstechnikában folyamatszabályozás, illetve környezetszennyezés megállapítása érdekében gyakran elıforduló feladat a folyamatban résztvevı gázelegy egy vagy több komponensének meghatározása. Például a CO 2 vagy O 2 tartalom ismeretében állítható be az égéshez szükséges levegı tömegárama. A mérés során elsısorban a hıerıgépek égéstermékeiben elıforduló különbözı gázalkotók meghatározására alkalmas mőszerek és berendezések mérési elvét, felépítését kívánjuk ismertetni. Általános összefüggések A tüzeléstechnikában a leggyakrabban a következı égéstermék komponenseket határozzák meg CO 2 ; CO; O 2 ; NO x ; C x H y (THC, CH 4 ); SO 2 ; HCl; korom, por. A legtöbb mőszer a gázalkotókat térfogatszázalékban méri, ami független a nyomástól és a hımérséklettıl. Ezt az értéket számítják át más mértékegységekre, p1. g/m 3 -re. A térfogatot (m 3 -t) általában fizikai normál állapotra szokás vonatkoztatni. (T 0= 273,1 K és p 0 = 1,01325 bar). Az átszámítás az alábbi táblázat segítségével lehetséges. tf% ppm mg/m 3 1 tf% p 1,2 10 M T 1 ppm mg/m 3 6 T 8,31 10 Mp 2 T 8, Mp p 12 M T Ahol: M : mol tömeg g/mol-ban p : gáznyomás bar-ban T : gázhımérséklet K-ben Emisszió mérırendszer Az emisszió mérésére olyan rendszert alakítanak ki, amely a komponensek egyidejő mérésére alkalmas. A mérırendszer kialakításánál figyelembe kell venni: a mintavételi körülményeket és a minta eljuttatását a mőszerekhez, az elemzıkészülékek elhelyezését, a kalibrálási lehetıség biztosítását. A vizsgálandó gázt úgy kell a mőszerekhez eljuttatni, hogy annak összetétele ne változzon meg és reprezentálja a mérendı közeget. A minta-elıkészítı feladata pedig a zavaró körülmények (szilárd részecskék, vízgız, zavaró gázok) eltávolítása a mintából.

3 1. ábra Mintaelıkészítı rendszer /1-főtött szőrı; 2-főtött vezeték; 3-hőtı; 4-membrán szivattyú; 5-finom szőrı; 6-elemzık/ Általánosan elfogadott, hogy a szilárd és a gáznemő füstgáz komponensek mintavétele különkülön történik. Az 1. ábrán egy füstgázelemzésekhez kiépített mintavételi rendszer vázlata látható. A mintát elıször egy durva, főtött szőrön vezetik át, majd a kondenzáció elkerülése érdekében a mintavezetéket melegítik. A mintavevı szerkezeti anyagának kiválasztása lényeges, mivel az nem okozhat, vagy katalizálhat kémiai átalakulást a mintában. Nem célszerő tisztán fém csövet használni, helyette inkább kerámia béléső mintavevıt építenek be a rendszerbe. Ha a hımérséklet engedi, úgy PTF (teflon) szonda is alkalmazható. - A kondenzátum lecsapatása - ha biztosítható - elektromos hőtıben történik, ahol a gázt 2-4 C hımérsékletre hőtik. Ez azért szükséges, mert a legtöbb mőszer a nedvességre érzékeny, továbbá a vízgız jelenléte meghamisítaná a mérési eredményt. Meg kell jegyezni azt is, hogy a kéndioxid, a széndioxid, az NO x egy része oldódik a vízben. - A vezetékek a lehetı legrövidebbek legyenek, az ad- és abszorpció elkerülése érdekében, A hideg minta szállítására a legalkalmasabb a PTFE csı. - A hőtı után általában egy membrán szivattyú és egy finom szőrı található, majd a minta az áramlás-mérın keresztül az elemzıkhöz jut. Ha lehetséges, úgy az elemzıket sorba kötik és a minta egymás után halad át az egyes analizátorokon. Ezzel az összetartozó értékek meghatározása biztosítható. - Egy gázalkotó meghatározó berendezés üzemi felépítését a 2. ábra mutatja. - A mőszereket az idıjárás viszontagságai ellen védeni kell, de legjobb azokat egy termosztált kabinban elhelyezni.

4 - A mőszereket beállítás, illetve ellenırzés céljából mérés elıtt és alatt megfelelı helyen bevezetett ismert összetételő gáz segítségével kalibrálni kell. 2. ábra. Üzemi gázalkotó meghatározó berendezés Gázelemzı mőszerek Az egyes komponensek mérésére szakaszosan vagy folyamatosan mérı készülékeket, illetve mőszereket alkalmaznak. A felhasználók elınyben részesítik az egyes komponensekre specifikus, folyamatosan mőködı mőszereket. A mőszerek mőködhetnek kémiai átalakulás, fizikai tulajdonság változása, illetve összehasonlítása, egyidejő fizikai és kémiai jelenség mérése alapján A LEGFONTOSABB VIZSGÁLT GÁZ KOMPONENSEK ÉS MÉRÉSI MÓDSZEREI OXIGÉN - O 2 : Színtelen, szagtalan nem mérgezı gáz. A levegı oxigén tartalma ~21%. A füstgázban lévı oxigén koncentráció mérésével meghatározható az égés során kialakult légfelesleg tényezı (λ), ami az égés minıségét jellemzi. 21 λ, ahol O 2,mért : a füstgázban mért oxigén koncentráció [tf%] 21 O 2,mért Oxigén mérése paramágneses gázelemzıvel: Az oxigén paramágneses tulajdonságát felhasználva mőködik ez a mérıberendezés. A mérıcella két azonos mérető részbıl áll, az egyik a mérı a másik az összehasonlító kamra. A

5 mérıkamra egy mágneses mezıben, az összehasonlító kamra, pedig egy mágneses mezı nélküli térben fekszik. Mindkét kamrában van egy-egy elektromosan főtött platinaszál. Ha a minta oxigént tartalmaz, akkor a mérıkamrában a mágneses mezı hatására az oxigén mennyiségével arányos cirkuláció (mágneses szél) keletkezik. Ha az áramlás eltérı a mérı és az összehasonlító kamrában, akkor a platina körellenállásainak lehőlése különbözı mértékő. A két ág között ellenállás-különbség keletkezik, melybıl egy koncentrációval arányos jelet hoz létre a mőszer. 3. ábra. paramágneses mérımőszer elvi felépítése /DK. Digitális kijelzı; KL: kezelılap; DE: digitális elektronika; T: teljesítményrész; TE: tápegység; R1-R2: ellenállások; GB: gázbelépés; GK: gázkilépés; MK: mérıkamra; É-D: mágnespólusok; HTE: híd tápegység/

6 NITROGÉNOXIDOK: Nitrogén-monoxid- NO: Színtelen gáz, szaga nem ismert, mivel a levegıben NO 2 -vé oxidálódik. Nitrogén-dioxid - NO 2 : Vörösesbarna szúrós szagú gáz, az atmoszférában meghatározó, mivel a kikerülı NO a levegıben elkezd NO 2 -vé oxidálódni. Dinitrogén-oxid - N 2 O: Színtelen édeskés szagú és íző, narkózist okozó nem toxikus gáz. A NO x -ok közül a füstgázban jellemzıen NO van jelen(a NO x -ok 90%-a NO). Azonban az atmoszférában a NO 2 a meghatározó, mivel a füstgázzal kikerülı NO a levegıben NO 2 -vé oxidálódik. A N 2 O jelentıssége csekély. NO, NO 2 mérgezı gázok, tüdıvizenyıt, a bırön égési sérüléseket (NO 2 ), illetve a növényeknél reverzibilis fotoszintézis csökkenést és szövetelhalást okozhatnak. Továbbá szerepet játszanak a savas esıkben is. NO képzıdése: Alapvetıen három lehetséges úton keletkezhet, ennek megfelelıen létezik: Termikus NO: szegény keverékek esetén keletkezik a levegı nitrogén és oxigén tartalmából, magas hımérsékleten (T>1500 C). Képzıdéséhez idıreakció, kinetikusan kontrollált. T O O + O N O NO + N O2 + N NO + O Prompt NO: dús keverékek esetén jellemzı, mennysége elhanyagolható a termikushoz NO-hoz képest. Tüzelıanyag eredető NO: a tüzelıanyag kötött nitrogént tartalmából keletkezik. Mennyisége elhanyagolható, mivel a Magyarországon szolgáltatott földgáz kötött nitrogént nem tartalmaz. NO x -ok mérése kemilumineszcens elven mérı mőszerrel: A mőszer mérési elv az, hogy a gázminta NO tartalmának meghatározott hányada ózon hatására gerjesztett NO * 2 -á alakul. A gerjesztett molekulák jellemzı hullámhosszú fényt sugároznak ki, miközben az alapállapotukba visszajutnak. NO + O 3 = NO * 2 + O 2 * h NO2 ν NO2 Az így kibocsátott fény mennyisége arányos a minta NO tartalmával. A teljes NO x tartalom * mérésekor a különbözı nitrogén-oxidokat elıször NO-á alakítják, és mérik a keletkezett NO 2 által a kibocsátott fényt. 1. lépés: NO koncentrációmérés 2. lépés: NO x koncentrációmérés

7 4. ábra. kemilumineszcens elven mérı NO/NO x elemzı elvi felépítése SZÉNMONOXID - CO: színtelen, szagtalan, mérgezı gáz. Az emberi szervezetben irreverzibilis károsodást okozhat, mivel a hemoglobinhoz ~200-szor jobban kötıdik mit az oxigén, vagy a széndioxid, ezzel megakadályozza a hemoglobin CO 2 -O 2 cseréjét. A vér karboxi-hemoglobin (CO-Hb) szintje 1% alatt elfogadható, azonban 10% felett már halálos is lehet. CO képzıdése: A szénmonoxid a tökéletlen égés eredménye. Akkor keletkezik, ha nem áll rendelkezésre elegendı oxigén a tüzelıanyag tökéletes kiégésére. A füstgázban mért mennyiségébıl az égés jóságára lehet következtetni. A gázmotorok légfelesleggel tüzelnek, tehát elvileg rendelkezésre áll a tüzelıanyag tökéletes kiégéséhez szükséges oxigén mennyiség, azonban a keverék eloszlása soha nem homogén a hengerekben, ezért mindig lehetnek tüzelıanyagban dús zónák, ahol a tüzelıanyag kiégése nem tökéletes. Továbbá a CO CO 2 konverzió nem megy azonnal végbe, ha a hengerekben a tartózkodási idı nem elegendı, a CO nem tud CO 2 -á oxidálódni. A hımérséklet csökkenésével csökken az oxidáció sebessége. CO mérése infravörös abszorpciós elven mőködı mérımőszerrel: A mérés elméleti alapja az, hogy a különbözı atomokból álló molekulák az infravörös tartományban komponensre jellemzı hullámhosszú sugárzást nyelnek el. A mőszerben két sugárnyaláb van: egy mérı és egy összehasonlító. A mérıküvettában a mérendı gáz áramlik, az összehasonlító zárt küvettában nitrogén gáz van. A sugárnyalábok a küvettákon keresztül az érzékelıbe jutnak. Azt érzékelıben a sugárzás abszopbeálódik, melynek során energia szabadul fel, ami hımérséklet-, illetve nyomásemelkedést okoz. A nyomáskülönbség miatt a az érzékelıben lévı membrán elmozdul, ez kapacitásváltozáshoz vezet, amit feszültségjellé alakítva, a mérendı minta CO tartalmával arányos jelet ad. A mőszer szelektivitását az adja, hogy az érzékelı a mérendı gázzal van feltöltve.

8 5. ábra: infravörös abszorpció elvén mőködı mőszer elvi felépítése /LP1: erısítı; LP2: hálózati stabilizátor; R: ellenállás; M1: mérıküvetta; M: küvetta; M2: összehasonlító küvetta; E2: ellenelektród; E: érzékelı; E1: membrán; E3: méréstartomány beállító; F: szőrıküvetta; ST4: sugárforrás; ST5: blende tárcsa; ST6: blende tárcsa motorja/ ELÉGETLEN SZÉNHIDROGÉNEK THC Total HidroCarbon, (C x H y ): színtelen, különbözı összetételő szénhidrogén gázok. Egyes komponensei gyenge szaghatásúak (parafinok), az aromás komponensek kellemetlen szaghatásúak jelentıs rákkeltık. Alapvetıen üvegházhatásúak, elsısorban a metán (CH 4 ), ami a CO 2 -nél sokkal erıteljesebb üvegházhatású gáz. THC képzıdése: Az elégetlen szénhidrogének a CO-hoz hasonlóan a tökéletlen égés eredményeként keletkeznek. THC mérése lángionizációs gázelemzıvel: Mérési elv: Két elektróda között hidrogén láng ég. Ha a lángba szénhidrogén tartalmú mérendı gázt vezetnek, akkor az elektródák közt ionáram jelenik meg, mivel a különbözı szénhidrogénekbıl szén gyökök keletkeznek (C ), melyek elektromosan vezetık. Az ionáram nagysága arányos a mintában lévı szénatomok számával, tehát a mőszer a mintában lévı összes szénhidrogént méri.

9 6. ábra: lángionizációs elven mérı mőszer elvi felépítése /A: analizátor; Le: szobalevegı; LSz: levegı szabályzó; H: hidrogén; L: láng; Hsz: hidrogénszabályzó; MG: mérendı gáz; K: katalizátor; MSz: membrán szivattyú; É: égı; L : lángır; Ka: kapilláris; EL: elektronika; Ee: elıerısítı; HSz : hımérséklet szabályozó; k1: méréstartomány kapcsoló/ Egyéb mérési módszerek Az alábbi módszereket elsısorban gázszivárgás, illetve H 2 tartalom mérésére használjuk: Égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék A mérés elve az, hogy a mintagázban lévı éghetı gáz, a nagy hımérséklető katalizátor mellett áramolva elég, a felszabaduló hıáram pedig a katalizátor hımérsékletének emelkedését okozza, ami arányos a mintagázban lévı vizsgált éghetı gáz koncentrációjával. A készülék elvi felépítése az 7. ábrán látható. A platina anyagú katalizátor huzalt C-ra főtik fel a Wheatstone-híd egyik ellenállásaként. Vonatkoztatási ellenállás ugyancsak egy platina huzal, amit levegı vesz körül: Az R 1 és R 2 ellenállások hımérsékletváltozásra érzéketlen állandó ellenállások (konstantán, manganin). Ha a mintagáz éghetıt tartalmaz - és oxigén is jelen van - az éghetı gáz elég, a felszabaduló hıáram emeli a főtött platina huzal hımérsékletét, ellenállása - mint pozitív hımérséklettényezıjő -fém növekszik, az egyensúly felborul, a mérımőszeren áram halad át, a mőszer kitérés arányos az éghetı gáz térfogatszázalékával. Gázok hıvezetési tényezıjének különbözısége alapján mőködı készülék A készülék elvi felépítése a 8. ábrán látható. A Wheatstone hídba épített 4 db azonos minıségő és mérető platina huzalt a tápfeszültség azonos módon C-ra főti. Ha a két kamrában azonos gáz áramlik, pl. levegı, akkor az elektródák hőtése azonos lesz, az eredetileg kiegyenlített híd egyensúlya nem változik. Ha azonban a mérı kamrába Pl. CO 2 tartalmú gáz kerül, úgy a kisebb hıvezetési tényezıjő gáz kevesebb hıt von el a platinaszáltól, így annak hımérséklete megnövekszik, ellenállása megnı, a híd egyensúly

10 felborul. A mérımőszer kitérése arányos a CO 2 tartalommal. A fenti készülékek egymással is kombinálhatók.. A mintagázból a merést meghamisító gázokat pl. SO 2 le kell választani vagy más módszerrel kell meghatározni és a mért értéket korrigálni kell (pl. 1 % SO 2., kb 2 % CO 2 -nek felel meg.) A gázhőtı a mintagázt temperálja, a nézı ablakon lehet ellenırizni a mintagáz tisztaságát. Az áramlásmérın a megfelelı tömegáramot kell beállítani a szabályozó szelep segítségével. 7. ábra. Égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék elvi felépítése 8. ábra Hıvezetı képesség alapján mőködı készülék elvi vázlata