LABORATORIUM METROLOGII

ANALIZA SKŁADU SPALIN ZA POMOCĄ ANALIZATORA

SPALIN TESTO 360

Cel ćwiczenia: zapoznanie z metodyką analizy składu spalin za pomocą

analizatora spalin Testo 360.

ZANIECZYSZCZENIA GAZOWE SPALIN. Dwutlenek siarki (SO2) powstaje głównie w procesie spalania paliw stałych zawierających zwykle domieszki siarki i jej związków. Związek ten działa toksycznie, atakuje najczęściej drogi oddechowe i struny głosowe. Po wniknięciu do ściany dróg oddechowych przenika do krwi i dalej do całego organizmu. Kumuluje się w ściankach tchawicy i oskrzelach oraz w wątrobie, śledzionie, mózgu i węzłach chłonnych. Duże stężenie SO2 może prowadzić również do zmian w rogówce oka. Szczególną szkodliwość na zdrowie człowieka przypisuje się jednoczesnemu skażeniu powietrza SO2 i siarczanami, jak też mieszaniną SO2, cząstek stałych i innych substancji powstających przy spalaniu kopalin. Tlenki azotu (NOx) - główne rodzaje występujących w atmosferze tlenków to tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO2). NO jest gazem bardziej aktywnym i szybko utlenia się do NO2. Tlenek azotu ma działanie toksyczne. Obniża odporność organizmu na infekcje bakteryjne, działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe, jest przyczyną zaburzeń w oddychaniu, powoduje choroby alergiczne (m.in. astmę). Tlenki azotu są prekursorami powstających w glebie związków rakotwórczych i mutagennych. W połączeniu z gazowymi węglowodorami tworzą w określonych warunkach atmosferycznych zjawisko smogu fotochemicznego (tzw. letniego). Po utlenieniu w obecności pary wodnej, mają również udział w tworzeniu kwaśnych deszczów i ich niszczącym działaniu. Pyły powodują podrażnienia naskórka i śluzówki. Najniebezpieczniejsze są pyły najdrobniejsze o wielkości cząstki do 5 ug/m3, które z łatwością przenikają do organizmu wywołując jego zatrucie, zapalenia górnych dróg oddechowych, pylicę, nowotwory płuc, choroby alergiczne i astmę. Tlenek węgla (CO) powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla. Jest niezwykle grożny, silnie toksyczny. Powoduje cięzkie zatrucia (zaczadzenie). Najbardziej wrażliwy na jego działanie jest mózg. Około 80% zawartego w powietrzu CO jest wiązana z hemoglobiną we krwi, tworząc karboksyhemoglobinę (HbCO), niezdolną do przenoszenia tlenu, co prowadzi do niedotlenienia tkanek. Przy zawartości ok. 20% HbCO we krwi mówimy o tzw. "ostrym zespole mózgowym" charakteryzującym się spadkiem czujności i rozróżniania, sennością, dezorientacją, w końcu może dojść do śpiączki i śmierci. Po długiej ekspozycji w warunkach wysokiego stężenia CO może nastąpić również uszkodzenie mięśnia sercowego. Zasada działania i obsługa analizatora Testo 360. Aby obniżać i kontrolować poziomy emisji oraz móc wykrywać usterki procesu technologicznego spalania paliw, wymagany jest analizator, który umożliwia pomiary składu spalinw danym punkcie oraz jednoczesne długotrwałe pomiary w różnych punktach systemu spalania. Dla potrzeb kontroli i oceny procesu wymagane są także pomiary innych parametrów: różnicy ciśnień, temperatury, natężenia przepływu, wilgotności, itd. Analizator spalin to przenośny system pomiarowy mający szerokie zastosowanie, między innymi do: - regulacji pracy wszelkiego typu kotłów przemysłowych, - długotrwałych pomiarów stężeń gazów, - kontroli składu atmosfery gazowej w piecach przemysłowych, - kontroli ciśnienia gazów oraz ich prędkości w kanałach spalinowych lub przewodach świeżego powietrza.

Wielkości mierzone przez analizator spalin Testo 360

Wielkość mierzona Min. zakres pomiar. Max. zakres pomiar. Max. zakres pomiar.z rozszerzeniem

O2 0 do 21% 0 do 21% 0 do 21%

NO 0 do 200 ppm 0 do 410 mg/m3

0 do 300 ppm 0 do 6160 mg/m3 0,1 do 6,0% obj.

NO2 0 do 200 pm 0 do 410 mg/m3

0 do 500 ppm 0 do 1030 mg/m3 0,1 do 1,0% obj

NOx (NO + NO2) 0 do 200 ppm 0 do 410 mg/m3

0 do 3500 ppm 0 do 7190 mg/m3 0,1 do 7,0% obj.

SO2 0 do 200 ppm 0 do 580 mg/m3

0 do 5000 ppm 0 do 14650 mg/m3 0,1 do 10,0% obj.

CO2 0 do 20% obj. 0 do 25% obj. 0,1 do 100% obj. z zespolonym pomiarem ciśnienia bezwzględnego

CO 0 do 200 ppm 0 do 250 mg/m3

0 do 10000 ppm 0 do 12560 mg/m3 0,1 do 20,0% obj.

Wilgotność gazów odlotowych

2,0 do 31% obj. H2O pkt. rosy 15 do 70°C

Temperatura spalin sonda przemysłowa sonda wielofunkcyjna

0-1200°C 0-600°C

Prędkość przepływu oblicz. z różnic cis. 5 do 40 m/s

50 hPa

Analizator spalin Testo 360 dokonuje pomiaru stężenia NO, NO2, O2, SO2 oraz CO za pomocą ogniw elektrochemicznych, natomiast pomiar CO2 odbywa się za pomocą detektora podczerwieni. Detektor CO2. Do pomiaru stężenia CO2 wykorzystywany jest bezdyspersyjny detektor podczerwieni (NADIR). Składa się on z następujących elementów:

• Źródła promieniowania podczerwonego • Spektrum widma widzialnego • Optycznego filtru interferencyjnego • Detektora promieniowania podczerwonego

Dzięki obecności wąskopasmowego, interferencyjnego filtru optycznego o odpowiednio dobranej długości fali, szerokopasmowe widmo źródła promieniowania podczerwonego (np. żarząca się lampka) zamieniane jest na promieniowanie monochromatyczne (o stałej długości fali). Przy przechodzeniu przez naczynie pomiarowe (zintegrowane z detektorem), następuje absorpcja promieniowania, która jest tym intensywniejsza im wyższe jest stężenie CO2 w badanych spalinach. W konsekwencji następuje osłabienie sygnału detektora podczerwieni. Charakterystyczny dla CO2 sygnał detektora podczerwieni jest automatycznie kompensowany w analizatorze w zależności od temperatury w detektorze i ciśnienia powietrza.

Zasada pomiaru detektora trójelektrodowego. Molekuły tlenku węgla (CO) przechodzą przez przepuszczalną dla gazów membranę do elektrody roboczej detektora trójelektrodowego. Tutaj następuje reakcja chemiczna, w której powstają jony H+. Jony te wędrują od elektrody roboczej do elektrody przeciwnej. Na elektrodzie przeciwnej zachodzą dalsze reakcje chemiczne z czynnym udziałem tlenu pochodzącego z powietrza (O2), który

usiłuje zamknąć obwód. Powstały w ten sposób obwód elektryczny wykorzystywany jest do określania stężenia CO. Elektroda odniesienia zapewnia stabilizację sygnału detektora. Żywotność tego detektora wynosi ok. dwa lata.

Rys.1 Schemat detektora tlenku węgla Wielofunkcyjna sonda spalin umożliwia jednoczesny pomiar ich temperatury i ciśnienia. Ciśnienie dynamiczne w przewodach spalinowych mierzone jest w środku pary rurek Pilota zgiętych w kształt litery S. na podstawie ciśnienia dynamicznego wyznaczana jest prędkość spalin. Temperatura spalin mierzona jest za pomocą termoelementu NiCr-Ni umieszczonego wewnątrz sondy. Elementem scalającym jest specjalna rękojeść (rys. 3), do której mocowane są rury i węże probiercze. W przypadku gdy w spalinach występuje wilgoć, należy stosować sondę ogrzewaną. Ma to na celu wyeliminowanie błędów pomiarowych wywołanych adsorbcją. Wąż probierczy spalin (rys. 4) został specjalnie zaprojektowany do pracy z testo 360. Temperatura jego pracy wynosi 60°C i jest regulowana automatycznie przez analizator.

Rys.2 Schemat analizatora Testo 360

Rys. 3 Rękojeść sondy

Rys. 4 Ogrzewany wąż gazu

W przypadku stosowania detektorów CO2, do przefiltrowania powietrza w podzespołach CO2 podczas operacji zerowania należy użyć filtra świeżego powietrza (rys. 5). Filtr pracuje zawsze w tym samym kierunku. Kolor zmienia się w sposób ciągły od wlotu gazu, od dołu do góry. Granulki należy wymienić gdy kolor jest brązowy.

Rys. 5 Filtr CO2:1 – oprawy końcowe, 2 – filtr, 3 – obudowa filtra, 4 –

wąż z zaciskami

Wykonanie ćwiczenia. Przystępując do pomiarów należy jednostkę centralną podpiąć do notebooka oraz połączyć z sondą zgodnie ze schematem z rys. 6.

Rys. 6 Panel przyłączy: 1 - wlot gazu, 2 - zespół węży ogrzewanych do próbkowania gazu ogrzanego, 3 - dodatnie ciśnienie różnicowe (nadciśnienie), 4 - ujemne ciśnienie różnicowe (podciśnienie), 5 - wlot świeżego powietrza, 6 - końcówka do sondy temperaturowej oraz sondy spalin a także systemu sterowania sondy wielofunkcyjnej, 7 - wyjście alarmowe, 8 - wlot gazu wzorcowego, 9 - sterowanie zewnętrzną jednostką gazu wzorcowego, L - drugie złącze szeregowe, K - końcówka zespołu sondy dodatkowej, J - przyłącze główne.

Po nagrzaniu się jednostki centralnej (ok. 20 minut), analizator zgłosi sygnał, że jest gotowy do rozpoczęcia pracy. Po pełnym, ukończonym cyklu nagrzewania i testowania można włączyć notebook. Program „Testo 360” uruchamia się automatycznie po włączeniu komputera. Możliwe jest dalsze konfigurowanie procedury pomiarowej. Program wykona również cykl „Zerowanie” trwający ok. 2 minut. W tym czasie pomiar jest niemożliwy. Po ukończeniu konfiguracji pojawi się okno pomiarowe. Należy zatwierdzić konfigurację automatyczną i można przystąpić do pomiaru.

Rys. 7. Okno pomiarowe: Start measurement F2 – rozpoczęcie pomiaru, Interrupt measurement F4 – przerwanie pomiaru, Continue measurement, F5 – kontynuacja pomiaru, Overview F3 – przegląd pomiaru, Fresh air ON/OFF, F6/F7 – załącz/wyłącz świeże powietrze, CO rinse ON/OFF F8/F9 – załącz/wyłącz płukanie CO, Cal Check – test ogniw, ReCalibration – kalibracja ogniw, Zero cal – zerowanie ogniw

Po przygotowaniu analizatora i oprogramowania można przystąpić do pomiarów stężenia zanieczyszczeń gazowych w spalinach. Podczas wykonywania pomiarów, z przyrządów pomiarowych należy odczytywać następujące wielkości:

tk – temperaturę spalin rejestrowaną przez analizator spalin Testo 360, [○C]; to – temperaturę otoczenia rejestrowaną przez analizator spalin Testo 360, [○C];

ZAŁĄCZNIK – akty prawne dotyczące wprowadzanie do powietrza substancji zanieczyszczających z procesów technologicznych i operacji technicznych

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA

z dnia 30 lipca 2001 r.

Rozdział 1 Przepisy ogólne

§ 1. Rozporządzenie określa: 1) dopuszczalne do wprowadzania do powietrza ilości i rodzaje substancji zanieczyszczających z procesów technologicznych i operacji technicznych, 2) warunki uznawania dopuszczalnych ilości i rodzajów substancji zanieczyszczających za dotrzymane, 3) czas obowiązywania dopuszczalnych do wprowadzania do powietrza ilości i rodzajów substancji zanieczyszczających z procesów technologicznych i operacji technicznych oraz warunków uznawania dopuszczalnych ilości i rodzajów substancji zanieczyszczających za dotrzymane, 4) postępowanie w przypadku zakłóceń w procesach technologicznych i operacjach technicznych lub pracy urządzeń ochronnych, 5) warunki prowadzenia procesów technologicznych i operacji technicznych, 6) urządzenia techniczne konieczne ze względu na wymagania ochrony środowiska, 7) przypadki, w których niezbędne jest prowadzenie pomiarów stężeń substancji zanieczyszczających w gazach odlotowych i zakres tych pomiarów.

MINISTER ŚRODOWISKA

Załączniki do rozporządzenia

Ministra Środowiska z dnia ........ (poz. .....)

Załącznik nr 1 Dopuszczalne do wprowadzania do powietrza ilości substancji zanieczyszczających ze spalania paliw w źródłach, do użytkowania których przystąpiono po dniu 28 marca 1990 roku I. Dopuszczalne ilości dwutlenku siarki 2. Ze spalania paliw ciekłych

Moc cieplna źródła w MWt Dopuszczalna ilość dwutlenku siarki w mg/m3 suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych

< 300 850

≥ 300 i < 500 liniowy spadek od 850 do 400

≥ 500 400

II. Dopuszczalne ilości tlenków azotu, w przeliczeniu na dwutlenek azotu 2. Ze spalania paliw ciekłych

Moc cieplna źródła w MWt Dopuszczalna ilość tlenków azotu w mg/m3 suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych

do 31.12. 2002r. od 01.01.2003 r.

< 50 400 400

≥ 50 460 450

III. Dopuszczalne ilości pyłu 2. Ze spalania paliw ciekłych o zawartości popiołu większej niż 0,06% w źródłach o mocy cieplnej mniejszej niż 500 MWt wynosi 100 mg/m3 suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych, a w pozostałych przypadkach - 50 mg/m3 suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych. IV. Dopuszczalne ilości tlenku węgla 2. Ze spalania paliw ciekłych wynosi 150 mg/m3 suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych.

Załącznik nr 4 Dopuszczalne do wprowadzania do powietrza ilości substancji zanieczyszczających ze spalania odpadów komunalnych

Lp. Nazwa substancji Dopuszczalna ilość substancji zanieczyszczających w mg/m3 (dla dioksyn i furanów w ng/ m3) suchych gazów odlotowych w warunkach normalnych, przy

zawartości tlenu 11% w gazach odlotowych

Q1)<1 1? Q1)<3 Q1)?3

1 2 3 4 5

1 pył ogółem 200 100 30

2 związki organiczne wyrażone jako węgiel ogółem

20 20 20

3 chlorowodór 250 100 50

4 fluorowodór - 4 2

5 dwutlenek siarki - 300 300

6 tlenek węgla2) 100 100 100

7 metale ciężkie i ich związki wyrażone jako metal

ołów + chrom + miedź + mangan

- 5 5

nikiel + arsen - 1 1

kadm + rtęć - 0,2 0,2

8 dioksyny i furany 0,13) 0,13) 0,13)

1) Łączna nominalna zdolność przerobowa spalarni wyrażona w Mg odpadów spalanych w ciągu godziny. 2) Średnia jednogodzinna. 3) Suma iloczynów stężeń niżej wymienionych dioksyn i furanów w gazach odlotowych oraz ich współczynników równoważności toksycznej.

Załącznik nr 6

Dopuszczalne do wprowadzania do powietrza ilości substancji zanieczyszczających ze spalania olejów odpadowych o wartości opałowej nie mniejszej niż 30 MJ/kg, zawierających mniej niż 50 ppm polichlorowanych węglowodorów aromatycznych i mniej niż 0,3 %siarki

Lp. Nazwa substancji Dopuszczalna ilość substancji zanieczyszczających w mg/m3 (dla dioksyn i furanów w ng/ m3) suchych gazów odlotowych

w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 3% w gazach odlotowych

1 2 3

1 pył ogółem 30

2 związki organiczne wyrażone jako węgiel ogółem 20

3 chlorowodór 1) 100

4 fluorowodór 2) 5

5 dwutlenek siarki 200

6 tlenek węgla 100

7 metale ciężkie i ich związki wyrażone jako metal

kadm 0,5

nikiel 1

chrom + miedź + wanad + ołów 5

8 dioksyny i furany 0,13)

1) Nieorganiczne związki gazowe chloru w przeliczeniu na chlorowodór. 2) Nieorganiczne związki gazowe fluoru w przeliczeniu na fluorowodór. 3) Suma iloczynów stężeń dioksyn i furanów w gazach odlotowych oraz ich współczynników równoważności toksycznej, wymienionych w załączniku nr 4 do rozporządzenia.