[Aktualizacja 21.06.2024]

Jednym z najważniejszych problemów współczesnego świata jest zanieczyszczenie powietrza, smog oraz przyśpieszenie globalnego ocieplenia wywołane działalnością człowieka. Szybko rozwijająca się gospodarka i przemysł na całym świecie, szczególnie w Chinach i Indiach, powoduje gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię, która wciąż w głównej mierze pozyskiwana jest w tradycyjny sposób, czyli w wyniku spalania paliw kopalnianych oraz paliw stałych, takich jak węgiel, drewno i torf.

W krajach rozwiniętych, przede wszystkim w UE, coraz częściej kwestia ochrony środowiska oraz walka ze zmianami klimatycznymi dla wielu rządów staje się priorytetem. Również Polska pod wpływem nacisków opinii publicznej oraz zobowiązań wobec UE (dotyczącymi ograniczenia wytwarzania CO2 przez przemysł), wprowadza coraz więcej rozwiązań prawnych mających na celu zmniejszenie emisji szkodliwych substancji oraz gazów cieplarnianych do atmosfery.[

Dla Polski szczególnie istotnym zagadnieniem jest kwestia ogrzewania budynków użyteczności publicznej, mieszkań oraz domów jednorodzinnych przy pomocy kominków, pieców i kotłów grzewczych. Co roku w okresie zimowym jesteśmy alarmowani o gwałtownym wzroście zanieczyszczeń oraz o smogu, który od grudnia do lutego unosi się prawie nad każdym większym polskim miastem. Związana z tym walka z tradycyjnymi kominkami na węgiel (tzw. kopciuchami) tylko częściowo rozwiązuje problem.

Niestety większość społeczeństwa nie ma w ogóle świadomości jak istotne dla środowiska jest prawidłowe stosowanie i ustawienie wszystkich pieców grzewczych, również tych nowoczesnych. Źle wyregulowane piece powodują nie tylko ogromne straty energii, ale również przyczyniają się do zanieczyszczenia powietrza i wzrostu emisji gazów cieplarnianych w podobnym stopniu co tradycyjne przestarzałe kominki na paliwo stałe.

Wyżej wymienione problemy oraz wciąż rosnące koszty energii wymuszają konieczność zwiększenia starań związanych z lepszym i bardziej wydajnym sposobem ogrzewania.

Jako odpowiedź na te wyzwania przygotowaliśmy artykuł poruszający i wyjaśniający zarówno kwestie merytoryczne (CZĘŚĆ I), jak i praktyczne (CZĘŚĆ II) związane z procesem spalania, emisją szkodliwych związków do atmosfery oraz analizą spalin, która jest niezbędna podczas regulacji każdego kotła grzewczego.

Co to jest spalanie?

Spalanie (utlenianie) jest to proces, w którym paliwo (najczęściej kopalne) reaguje z tlenem wytwarzając ciepło oraz produkty uboczne reakcji egzotermicznej, czyli dwutlenek węgla (CO2) oraz wodę (H2O). Ważne jest, aby w procesie spalania uwzględnić nadmiar powietrza, co wpływa na temperaturę, skład paliwa oraz konserwację urządzeń, szczególnie w przypadku kotłów grzewczych z palnikami olejowymi, w zależności od rodzaju paliwa.

Najwyższy poziom skuteczności spalania ma miejsce, gdy wszystkie cząstki węgla i związków wodoru zawarte w paliwie zostaną spalone. W tym celu należy dobrać właściwą ilość paliwa i powietrza w określonym czasie, w odpowiednich warunkach turbulencji i temperatury.

Teoretyczne spalanie stechiometryczne definiuje jaki jest idealny stosunek paliwa do powietrza, umożliwiający w procesie spalania odzyskanie całej energii z dostarczonego paliwa bez żadnych strat. Spalanie stechiometryczne można wykonać jedynie w laboratorium. W normalnych warunkach jest nieosiągalne, ponieważ straty ciepła w przypadku każdego kotła są nieuniknione, co uniemożliwia 100-procentową wydajność.

W praktyce, aby osiągnąć spalanie zupełne i mieć pewność, że cała energia zostanie odzyskana, konieczne jest podanie większej ilości powietrza niż to określają teoretyczne warunki spalania stechiometrycznego. Ta dodatkowa ilość jest nazywana nadmiarem powietrza (λ).

W większości procesów spalania poza wodą i dwutlenkiem węgla powstają również niepożądane związki, takie jak: CO (tlenek węgla), NO (tlenek azotu), NO2 (dwutlenek azotu), SO2 (dwutlenek siarki), sadza i popiół. Pomiar tych związków jest konieczny, ponieważ są one szkodliwe dla środowiska, a ich dopuszczalną maksymalną ilość określają normy oraz przepisy dotyczące emisji gazów.

Jaki jest cel spalania?

Celem spalania jest odzyskanie całej energii z dostarczonego paliwa w najbardziej efektywny sposób (przy możliwie najniższych stratach ciepła). Im wydajniej spalane jest paliwo, tym tańszy staje się proces spalania.

Czym różni się spalanie całkowite od spalania zupełnego?

• Spalanie całkowite: Opisuje proces spalania, w wyniku którego w spalinach nie występują żadne składniki palne. W tym celu do kotła musi być wprowadzona wystarczająca ilość powietrza, a konkretnie tlenu O2, który w reakcji z węglem tworzy CO2. W przypadku niedostatecznej ilości powietrza dochodzi do spalania niezupełnego, w wyniku czego powstaje tlenek węgla CO, który zawiera niewykorzystaną energię. Innymi słowy: im mniej tlenku węgla pozostaje w spalinach, tym reakcja jest bliższa spalaniu całkowitemu.
• Spalanie zupełne: Występuje, gdy uzyskiwane jest 100% energii z paliwa poddanego procesowi spalania, co oznacza, że wszystkie palne składniki dostarczonego paliwa zostały utlenione.

Paliwa

Obecnie na całym świecie w procesach spalania wykorzystywane jest wiele różnych paliw, z których najpopularniejsze to: węgiel, olej napędowy, benzyna, gaz ziemny, propan, gaz koksowniczy i drewno. Każde z nich ma inne właściwości chemiczne, w tym unikalny stosunek węgla do wodoru (C/H2) oraz inną wartość opałową (ilość wyzwalanego ciepła przy całkowitym spaleniu paliwa KJ/kg).

Ilość powietrza potrzebna do całkowitego spalenia zależy w szczególności od stosunku C/H2. Im więcej węgla znajduje się w paliwie, tym więcej powietrza jest potrzebne do osiągnięcia pełnego spalania, dlatego podczas monitorowania wydajności procesu konieczna jest znajomość właściwości używanego paliwa - informacje te umożliwiają nie tylko określenie optymalnych warunków pracy kotła, ale także pozwalają zmaksymalizować jego sprawność.

Wartość opałowa i zawartość CO2 w spalinach w warunkach stechiometrycznych

Tabela 1.1. (źródło: Sauermann, materiały własne)

Charakterystyka spalania węgla kamiennego, oleju oraz gazu

Węgiel kamienny

Charakteryzuje się wysoką zawartością węgla, co w procesie spalania wymusza konieczność dostarczenia znacznie większej ilość powietrza niż w przypadku innych paliw kopalnianych. W wyniku spalania powstaje bardzo dużo dwutlenku węgla (CO2) oraz innych zanieczyszczeń, takich jak: tlenki azotu (NOx), dwutlenki siarki (SO2) i trójtlenki siarki (SO3). Szczególnie groźny jest dwutlenek siarki, który łączy się z parą wodną w powietrzu, tworząc słabą formę kwasu siarkowego – jedną z głównych przyczyn kwaśnych deszczów.

Olej

Paliwa ropopochodne są przeważnie mieszaniną bardzo ciężkich węglowodorów, które mają wyższe poziomy wodoru i niższą zawartość węgla niż węgiel kamienny. Oleje, w porównaniu do węgla kamiennego, podczas spalania potrzebują mniejszej ilości powietrza, mniejsza jest też emisja CO2 do atmosfery. Natomiast poziom powstających zanieczyszczeń (NOx, SO2, SO2) jest podobny.

Gaz ziemny

W porównaniu do innych paliw, do spalenia wymaga dostarczenia mniej tlenu ze względu na stosunkową małą zawartość węgla i dużą zawartość wodoru. Spalanie powoduje powstawanie dużo mniejszej ilości zanieczyszczeń niż w przypadku węgla kamiennego i oleju. Jednak niedostarczenie odpowiedniej ilości powietrza może powodować powstawanie lotnych związków węglowodorów, które stanowią duże zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Bardzo ważną zaletą spalania gazu ziemnego jest niska emisja gazów cieplarnianych, które uważa się za jedno z głównych źródeł globalnego ocieplenia. W równoważnych ilościach spalanie gazu ziemnego wytwarza od 30% do 45% mniej dwutlenku węgla niż w przypadku spalania oleju i węgla kamiennego.

Poza CO2 spalanie gazu powoduje tworzenie się tlenków azotu (NOx). Natomiast emisja dwutlenku siarki (SO2) i innych cząstek jest znikoma.

Inne paliwa

Każde inne paliwo, w tym drewno, olej napędowy, benzyna, biopaliwa, etanol itp. ma własne charakterystyczne właściwości, które w różny sposób wpływają na wydajność spalania.

Przepływ powietrza

Utrzymanie odpowiedniego przepływu powietrza ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia bezpiecznego i całkowitego spalania. Całkowity przepływ uwzględnia: powietrze do spalania, powietrze infiltracyjne oraz powietrze rozcieńczające.

• Powietrze do spalania - Powietrze wtłaczane do pieca, używane do faktycznego spalania paliwa. Bez niego spalanie nie jest możliwe.
• Powietrze infiltracyjne - Jest to powietrze, które nie dostaje się do komory spalania w wyniku pęknięć i wycieków.
• Powietrze rozcieńczające - Powietrze, które łączy się ze spalinami i obniża ich stężenie. Występują dwa rodzaje powietrza rozcieńczającego: naturalne i indukowane (tworzone sztucznie).

Czas, temperatura i turbulencje

Proces spalania jest zależny od czasu, temperatury i turbulencji. Czas spalania jest niezwykle ważny: jeśli jest on za krótki, a jednocześnie turbulencja powodująca mieszanie paliwa z powietrzem nie jest wystarczająco intensywna, to paliwo nie zostanie spalone w całości. Z drugiej strony zbyt długi czas spalania powoduje powstawanie wysokich płomieni, które niekorzystnie wpływają na trwałość kotła. Właściwie kontrolowany proces spalania zapewnia wysoką wydajność przy jednoczesnym zachowaniu niskiej emisji szkodliwych gazów.

Nadmiar powietrza

Aby zapewnić całkowite spalanie, do kotła dostarczany jest nadmiar powietrza, co określa się jako współczynnik nadmiaru powietrza, który opisuje stosunek rzeczywistej ilości dostarczanego powietrza do wymaganej ilości powietrza do spalania. Wzrasta również turbulencja, która wpływa na intensywność mieszania i reakcji paliwa z powietrzem w komorze, co poprawia efektywność spalania. Zwiększanie ilości nadmiaru powietrza powoduje zmniejszenie emisji CO przy jednoczesnym wzroście strat ciepła. Zarówno CO jak i straty ciepła wpływają na wydajność spalania, dlatego bardzo ważne jest utrzymywanie ich na właściwym poziomie.

Obliczanie nadmiaru powietrza

Zgodnie z wcześniej podanymi informacjami, w warunkach stechiometrycznych (teoretycznych) tlen, który jest wykorzystany w procesie spalania, ulega całkowitemu zużyciu. W związku z tym wykonując pomiar ilości O2 w spalinach opuszczających kocioł, jesteśmy w stanie obliczyć procent dostarczonego nadmiaru powietrza (λ).

Do obliczania nadmiaru powietrza wykorzystuje się następujący wzór:

Typowe wartości nadmiaru powietrza

Tabela 1.2. (źródło: Sauermann, materiały własne)

Ciąg

Ciąg, czyli inaczej ciśnienie gazów w kominie powinno być dokładnie kontrolowane, aby mieć pewność, że wszystkie spaliny są usuwane ze strefy spalania z właściwą prędkością. Ciśnienie ciągu może być dodatnie lub ujemne w zależności od konstrukcji kotła. Najczęściej stosowane są piece z ciągiem naturalnym, zrównoważonym i wymuszonym.

Monitorowanie ciągu jest ważne zarówno ze względu na utrzymanie odpowiedniej wydajności spalania, jaki i ze względu na bezpieczeństwo. Niskie ciśnienie ciągu powoduje gromadzenie się wysoce toksycznych gazów np. tlenku węgla oraz gazów wybuchowych, które mogą zbierać się w komorze spalania, a nawet wydostawać się na zewnątrz, co stwarza ryzyko obrażeń, a nawet śmierci.

Z drugiej strony zbyt wysokie ciśnienie ciągu może powodować niepożądane turbulencje, które uniemożliwiają całkowite spalanie. Wpływa również na powstawanie wysokich płomieni, które powodują uszkodzenia komory spalania i wymiennika ciepła.

Kotły grzewcze

Co to jest kocioł grzewczy?

Kocioł grzewczy można rozpatrywać jako zamknięte naczynie, w którym zachodzi podgrzewanie i cyrkulacja wody. Powstała w ten sposób gorąca woda lub para wodna używana jest do ogrzewania, zasilania lub wytwarzania energii elektrycznej. Piec kotła znajduje się w miejscu, w którym paliwo i powietrze są wprowadzane do spalania przy pomocy palników, na których powstają płomienie. Gorące spaliny wytwarzane podczas spalania przemieszczają się przez szereg wymienników ciepła, w których wysoka temperatura przekazywana jest do przepływającej przez nie wody. Następnie spaliny w części wydechowej kotła są odprowadzane kominem do atmosfery.

Typy kotłów grzewczych

• Kotły komunalne

• Kotły przemysłowe

• Piece zwykłe

Kotły kondensacyjne

Konstrukcja kotłów kondensacyjnych pozwala na uzyskanie dodatkowej energii z gazów spalinowych opuszczających komin. Spaliny te mają znacznie niższą temperaturę niż te, które powstają w zwykłych kotłach. Temperatura spalin jest na tyle niska, że następuje skraplanie pary wodnej zawartej w gazach, uwalniając w ten sposób utajone ciepło i zwiększając wydajność kotła. Sprawność kotłów kondensacyjnych dochodzi do 95%, podczas gdy zwykłe piece osiągają sprawność rzędu 70-80%.

Idea całkowitej wydajności

Jest to metoda maksymalizacji ogólnej wydajności procesu spalania poprzez pomiar i kontrolę różnych parametrów odpowiadających czterem najważniejszym obszarom działania, tj.: wydajności spalania, efektywność konserwacji, bezpieczeństwa i ochrony środowiskowej.

Dzięki zrównoważeniu wszystkich wymagań określonych w każdym z tych obszarów możliwe jest działanie w najbardziej opłacalnych i bezpiecznych warunkach pracy, przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z przepisami ochrony środowiska dotyczącymi procesu spalania.

W praktyce może to oznaczać mniejsze koszty (mniejsze zużycie paliwa) oraz mniejszą emisję zanieczyszczeń.

• Efektywność konserwacji

Nowe kotły i palniki mogą pracować z bardzo wysoką wydajnością, bez występowania jakichkolwiek problemów. Jednak z biegiem czasu wszystkie piece zaczynają obniżać swoją efektywność. W miarę starzenia palniki stopniowo się zanieczyszczają, a ich właściwości pogarszają. Wpływa to istotnie na proces spalania, emisję spalin i bezpieczeństwo. W większości przypadków wraz z zużyciem palnika wzrasta zapotrzebowanie na nadmiar powietrza w celu zapewnienia właściwego spalania i redukcji emisji CO.

• Bezpieczeństwo

Jest oczywiście najważniejszym zagadnieniem podczas procesu spalania. Emisja toksycznych gazów stwarza ryzyko eksplozji, a starzejące się części kotła biorące udział w procesie spalania mogą stwarzać niebezpieczne warunki. W celu zapewnienia pełnego bezpieczeństwa, konieczne jest monitorowanie poziomów CO i CxHy (węglowodorów) oraz stała kontrola ilości dostarczanego tlenu, który jest niezbędny do zachowania niskiego poziomu tlenków węgla i węglowodorów.

CO w wysokich stężeniach powoduje śmierć, a CxHy ryzyko wybuchu.

• Ochrona środowiska

Związki toksyczne, takie jak dwutlenek siarki, tlenek węgla, tlenki azotu są niepożądane podczas emisji spalin. Powodują smog, kwaśne deszcze i problem z oddychaniem. Analiza spalin pozwala kontrolować emisję tych szkodliwych dla środowiska gazów.

Wydajność spalania

• Straty ciepła są nieuniknione. Można jednak ograniczyć je do minimum dzięki odpowiednim procedurom pomiaru i kontroli.
• Całkowite straty ciepła są zwykle wyliczane poprzez dodanie strat kominowych, strat uciekającego ciepła przez ściany pieca (promieniowania) i strat spowodowanych niespalonym paliwem, które osadza się w lejach zbierających popiół.
• Straty kominowe zawierają straty jawne i utajone.
• Jawne straty ciepła odnoszą się do ciepła uciekającego wraz ze spalinami wychodzącymi z kotła. Im wyższa objętość i temperatura spalin, tym większe straty.
• Utajone straty ciepła wynikają z pary wodnej znajdującej się w spalinach (znaczna ilość energii jest zużywana podczas procesu odparowywania wody). Straty spowodowane przez uciekające ciepło przez ściany kotła są stosunkowo małe. Aby je ograniczyć należy zastosować odpowiednią izolację.

Popiół jest zazwyczaj produktem ubocznym spalania w kotłach opalanych węglem i drewnem. Jest gromadzony w zasobnikach lub obszarach zbierania popiołu. Ilość pozostałego węgla w popiołach powinno ograniczyć się do minimum ze względu na powstające w ten sposób straty ciepła oraz problemy z utylizacją popiołu.

• Pomiar wydajności spalania: Wydajności nie można zmierzyć bezpośrednio. Można ją natomiast obliczyć określając wszystkie straty powstałe podczas spalania. W tym celu należy wziąć pod uwagę czynniki wpływające na straty, w tym jawne straty ciepła uchodzące ze spalinami, niespalony gaz i niespalone cząstki. W większości przypadków wartość uciekającego ciepła przez obudowę kotła oraz straty utajone nie są brane pod uwagę.

Do obliczeń wydajności można zastosować następujące równanie:

Typowe wydajności procesu spalania:

• Kominek domowy: 10 - 40 %
• Grzejnik w pomieszczeniach: 50 - 80 %
• Standardowy piec gazowy o niskiej wydajności: 70 - 80 %
• System ogrzewania olejowego: 70 - 85 %
• Kocioł gazowy: 75 - 85 %
• Piec kondensacyjny gazowy lub olejowy o wysokiej wydajności: 85 - 95 %

Związki zawarte w spalinach

Tlenki azotu NOx

Tlenki azotu (głównie NO i NO2) to grupa wysoce reaktywnych gazów, które zawierają azot i tlen w różnych ilościach i konfiguracjach chemicznych. Większość tlenków azotu jest bezbarwna i bezwonna, jednakże dwutlenek azotu (NO2) wraz z innymi cząsteczkami w powietrzu tworzy czerwonobrązową warstwę smogu w miastach lub gęsto zaludnionych obszarach.

Powstawanie NOx

Tlenki azotu powstają podczas spalania paliw w wysokich temperaturach. Głównymi źródłami NOx są pojazdy silnikowe, przemysł, urządzenia elektryczne oraz mieszkania ogrzewane kotłami domowymi.

Zagrożenia związane z NOx

Podczas reakcji NOx z tlenem w powietrzu, na poziomie gruntu powstaje ozon, który ma bardzo negatywny wpływ na produkcję rolną oraz układ oddechowy (wywołuje raka płuc). NOx tworzą również cząsteczki azotanu, kwaśne aerozole i gazy, które unosząc się w powietrzu pogarszają widoczność i powodują problemy z oddychaniem. Dodatkowo w wyniku reakcji NOx z wodą powstaje kwas azotowy przyczyniający się do obniżenia jakości wody.

Rodzaje NOx

Zasadniczo istnieją trzy podstawowe źródła NOx: termiczne NOx, paliwowe NOx i natychmiastowe NOx. Mimo że wszystkie powstają w wyniku procesów spalania, nieznacznie różnią się od siebie.

• Termiczne NOx - Jest to główne źródło powstawania NOx. Tworzy się w bardzo wysokich temperaturach, zwykle powyżej 2200°F i jest wynikiem utleniania dwuatomowego azotu znajdującego się w spalinach. Im wyższa temperatura płomienia, tym większe ilości tworzącego się termicznego NOx.
• Paliwowe NOx - Powstaje, gdy azot w paliwach łączy się z nadmiarem tlenu w powietrzu. NOx paliwa jest poważnym problemem przy spalaniu ropy naftowej i węgla, ponieważ może stanowić nawet 50% całkowitej emisji w przypadku spalania oleju i aż 80% w przypadku spalania węgla.
• Natychmiastowe NOx - Tworzy się w najwcześniejszym etapie spalania w wyniku reakcji atmosferycznego azotu z rodnikami. Poziomy natychmiastowego NOx są na ogół bardzo niskie, dlatego zwykle nie są brane pod uwagę.\

Redukcja NOx

W przypadku redukcji uwalnianych do atmosfery cząstek NOx ważne jest, aby przeprowadzić dokładny pomiar NO oraz NO2. Zwykle NO2 stanowi 10% wszystkich cząstek NOx, ale w przypadku stosowania metod redukcji, udział NO2 może wzrosnąć do ponad 50% wszystkich tlenków azotu.

Metody redukcji NOx

• Spalanie etapowe - Metoda ta polega na stopniowym spalaniu w komorze kolejnych porcji paliwa. Powoduje to znaczne obniżenie temperatury w komorze, co z kolei wpływa na redukcję ilości termicznego NOx w spalinach.
• Konwerter katalityczny - Urządzenia te wykorzystuje się do obniżenia toksyczności spalin powstałych w procesie spalania w silnikach stacjonarnych, spalinowych oraz w kotłach i grzejnikach. Katalizatory rozkładają tlenki azotu na oddzielne cząstki azotu i tlenu. Niektóre reaktory katalityczne stosuje się również w celu zmniejszenia wysokiego poziomu CO wytwarzanego podczas redukcja NOx.
• Recyrkulacja spalin - Metoda ta polega na ponownym wprowadzeniu części spalin do procesu spalania, co powoduje obniżenie temperatury płomienia zmniejszając w ten sposób emisję termicznego NOx. Recylkulacja może również obniżać poziom CO.
• Redukcja poziomu O2 - Zmniejszenie ilości dostarczanego tlenu, który reaguje z azotem, automatycznie redukuje poziom NOx. W celu zminimalizowania poziomu O2 należy w odpowiedni sposób (przy użyciu analizatora spalin) wyregulować mieszankę paliwa i powietrza. Metoda ta jest często stosowana w silnikach podczas tzn. bogatego spalania. W ten sposób można obniżyć występowanie NOx nawet o 10%. Niestety wiąże się to ze wzrostem emisji tlenku węgla (CO).
• Palniki o niskiej emisyjności NOx - Tego typu palniki mają możliwość zmiany kształtu płomienia poprzez kontrolę kierunku przepływu powietrza przy pomocy specjalnych płytek. W ten sposób można rozszerzyć płomień i zwiększyć jego pole powierzchni. Tego typu płomień ma niższą temperaturę, a mniejsza temperatura (tak jak już to zostało wcześniej opisane) powoduje zmniejszenie ilości termicznego NOx. W przypadku zastosowania palników o niskiej emisyjności NOx należy stale kontrolować poziom CO, bo może on być podwyższony.

• Olej o niskiej zawartości azotu - Występują specjalne oleje, które zawierają od 15 do 20 razy mniej związanego azotu z paliwem, który przyczynia się do powstawania 20-50% wszystkich związku NOx.
• Wprowadzanie wody lub pary - Zmniejsza ilość NOx poprzez obniżenie temperatury ognia. Metoda ta prowadzi do spadku wydajności kotła o 3-10%, choć niektóre zaawansowane konstrukcje technologii wprowadzania pary nie mają znacznego wpływu na wydajność.
• SCR (Selektywna redukcja katalityczna) - Jest to proces, w którym reduktor, najczęściej amoniak, jest dodawany do przewodu odprowadzającego spaliny. Reduktor reaguje z NOx zawartym w spalinach i tworzy H2O (wodę) oraz N2 (azot w otoczeniu). Proces ten zachodzi w temperaturze 500ºF- 1200ºF w zależności od zastosowanego katalizatora i może zmniejszyć emisję NOx nawet o 90%. Metoda ta jest stosowana głównie w dużych kotłach przemysłowych i użyteczności publicznej.
• SNCR (Selektywna niekatalityczna redukcja) - SNCR jest procesem, który wymaga dodania reduktora, zwykle mocznika do górnej części pieca i przeprowadzenia bardzo długiej reakcji w temperaturze ok 1400-1600ºF. Metoda ta redukuje emisję NOx o 70%, jest jednak trudna do zastosowania ze względu na specyficzne potrzeby temperaturowe.

Pomiar NOx

Tradycyjnym sposobem określenia emisji NOx jest pomiar w próbce spalin zawartości tlenku azotu NO. Uzyskaną wartość mnoży się przez współczynnik 1.1. Wynika to z założenia, że ilość dwutlenku azotu NO2 w spalinach wynosi ok. 10% wartości zmierzonego NO. Metoda ta jest dopuszczalna, jednakże zawartość procentowa NO2 w niektórych przypadkach może być większa, dlatego w celu uzyskania rzeczywistych wartości NOx (true NOx) najlepiej wykonać jednoczesny pomiar NO oraz NO2.

Referencyjny O2

Referencyjny O2 jest standardem, który został ustalony w celu ułatwienia monitoringu NOx. Norma ta określa sposób obliczania emisji NOx dla ustalonego poziomu tlenu. Ustalenie ilości NOx w odniesieniu do ustandaryzowanej wartości tlenu pozwala na uniknięcie sytuacji, gdy w przypadku prób rozcieńczania tlenków azotu, mierzona wartość wydaje się być mniejsza niż w rzeczywistości.

Niski poziom NOx

Jest definiowany jako dowolna wartość NOx poniżej 500 ppm, zazwyczaj jest to od 9 do 300 ppm. Podczas pomiaru tak niskich wartości w celu uniknięcia błędu pomiarowego konieczne jest zmierzenie prawdziwej wartości NOx (True NOx), czyli wykonanie jednoczesnego pomiaru ilości NO oraz NO2.

Pomiar True NOx

Występują analizatory spalin, które posiadają czujniki umożliwiające jednoczesny pomiar NO oraz NO2. W trakcie przeprowadzanej analizy ważne jest pobranie reprezentatywnej próbki gazów uwalnianych do atmosfery. Próbkę należy pobrać z odpowiedniego miejsca upewniając się, że nie nastąpiły żadne wycieki gazów. Dodatkowo niezwykle istotne jest, aby podczas procesu spalania nie dochodziło do kondensacji pary wodnej w spalinach, ponieważ NO2 bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. W ten sposób nawet 50% NO2 z fazy gazowej może rozpuścić się w kondensacie, co w znaczny sposób zmniejsza dokładność pomiaru.

Skuteczna metoda pomiaru True NO2

Biorąc pod uwagę rozpuszczalność gazu NO2 w celu zachowania integralności próbki gazu, należy wyeliminować całe H2O w kontrolowanym środowisku, minimalizując jakikolwiek kontakt wody z próbką gazu. Osiąga się to za pomocą specjalnego systemu próbkowania, który jest stosowany w nowoczesnych analizatorach przemysłowych (np. Analizator spalin E-8500 Sauermann).

System ten obejmuje następujące kroki:

• Podgrzewanie sondy - Pozwala na pobieranie próbki gazu bez kondensacji.
• Podgrzewanie próbki - Utrzymuje próbkę powyżej temperatury punktu rosy, co uniemożliwia kondensację i możliwość rozpuszczania się gazu w wodzie.
• Zastosowanie agregatu chłodniczego - Wewnętrzny agregat chłodniczy osusza spaliny i zapobiega rozcieńczaniu NOx i SO2 w kondensacje. Analizowana w ten sposób próbka gazu jest najbardziej reprezentatywna, bo żaden gaz nie przechodzi do fazy wodnej.

Tlenek węgla (CO)

Z węgla zawartego w paliwie w wyniku reakcji spalania tworzy się dwutlenek węgla (CO2). W przypadku gdy nie jest dostarczona wystarczająca ilość tlenu (powietrza) lub warunki spalania (turbulencja, temperatura, czas) nie są odpowiednie, spalanie nie jest całkowite. Część węgla nie zostaje przekształcona do CO2, tylko pozostaje w postaci pośredniej jako tlenek węgla CO, który stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia. CO jest gazem toksycznym, bezbarwnym, bezwonnym i wyjątkowo szkodliwy dla układu oddechowego. Wysokie stężenie CO powoduje ból oraz zawroty głowy i prowadzi do śmierci. Pojazdy silnikowe, przemysł oraz właśnie niecałkowite spalanie są głównymi źródłami CO wytwarzanego przez ludzi.

Związki siarki

• Dwutlenek siarki (SO2) - Stanowi około 95% wszystkich związków siarki uwalnianych podczas spalania do atmosfery i jest główną przyczyną powstawania kwaśnych deszczów. Głównym źródłem emisji SO2 jest produkcja energii elektrycznej.
• Trójtlenek siarki (SO3) - Podczas spalania powstaje w niewielkich ilościach. Może być jednak problematyczny, ponieważ powoduje korozję zimnych obszarów kotła. W większości procesów spalania pomiar SO3 nie jest wymagany.
• Siarkowodór H2S - Jest bezbarwnym, łatwopalnym i toksycznym gazem, który czasami tworzy się podczas spalania. Niektóre gazy, takie jak gaz ziemny, mogą zawierać do 28% H2S.

Metody redukcji siarkowodoru

• Odsiarczanie paliwa - Polega na usunięciu części siarki z paliwa przed jego spaleniem. Metoda ta stosowana jest głównie wtedy, gdy wykorzystywanym paliwem jest węgiel.
• Odsiarczanie spalin - Systemy odsiarczania spalin wymagają zastosowania aparatów absorpcyjnych, które chemicznie reagują z SO2, tworząc inne związki. Metoda ta jest bardzo skuteczna i może zmniejszyć emisję tlenku siarki nawet o 90%.

Skuteczna metoda pomiaru SO2

SO2 podobnie jak NO2 łatwo rozpuszcza się w wodzie, dlatego w celu zachowania integralności badanej próbki, należy wyeliminować całą wodę w kontrolowanym środowisku, minimalizując jakikolwiek kontakt wody z SO2. Osiąga się to za pomocą tego samego systemu próbkowania co w przypadku NO2: podgrzewanie sondy, podgrzewanie próbki i zastosowanie agregatu chłodniczego (Przemysłowy analizator spalin Sauermann Si-CA 8500).

Dwutlenek węgla (CO2)

Jest produktem ubocznym spalania. Poziom uwalnianego dwutlenku węgla zależy od rodzaju zastosowanego paliwa i procesu spalania. Chociaż CO2 naturalnie powstaje w wyniku oddychania i innych procesów organicznych, jest gazem cieplarnianym, a zatem przyspiesza globalne ocieplenie. Głównymi źródłami wytworzonego przez człowieka dwutlenku węgla są pojazdy silnikowe, przemysł i narzędzia elektryczne.

Obliczanie CO2 vs. Pomiar CO2

Obliczone CO2 jest funkcją stężenia zmierzonego O2 i stechiometrycznej (teoretycznej) maksymalnej ilości CO2, która może zostać uwolniona przez dane paliwo:

Podczas procesu spalania mogą być wykorzystywane paliwa lub kombinacje różnych paliw, które zawierają zmienne ilości węgla. Powoduje to duże trudności w określeniu teoretycznej maksymalnej ilości CO2, co z kolei wpływa na zmniejszenie dokładności obliczonego CO2 w oparciu o zmierzony poziom tlenu w spalinach. W takich sytuacjach konieczny jest pomiar CO2, który zwykle wykonuje się przy pomocy czujników na podczerwień (takie możliwości posiada, np. analizator spalin Sauermann Si-CA 8500).

Stężenie masowe związków zawartych w spalinach

Wartość emisji spalin zazwyczaj podaje się w ppm (liczba gramów substancji w milionie gramów roztworu). Stężenie masowe natomiast określa całkowitą ilość gazów uwalnianych podczas procesu spalania w miligramach na metr sześcienny mg/m3. W celu określenia stężenia masowego należy znać współczynnik, który dla 1ppm określa ilość gazu w normalnych warunkach, czyli w temperaturze 0 st.C i ciśnieniu 1013 hPa. Współczynnik ten jest różny dla każdego gazu.

Artykuł opracowal Antoni Klonowski

Antoni Klonowski

Masz pytania lub potrzebujesz doboru rozwiązania kontrolno-pomiarowego?