Przeprowadzenie analizy spalin jest konieczne w celu kontroli i regulacji każdego kotła grzewczego. W warunkach nielaboratoryjnych tylko w ten sposób można odpowiednio skoordynować proces spalania, tak aby uzyskać najwyższą wydajności przy możliwie najniższej emisji zanieczyszczeń.

W niniejszym artykule przedstawione są podstawowe zasady, którymi należy się kierować podczas doboru odpowiedniego urządzenia pomiarowego oraz sposób wykonania analizy spalin na przykładzie produktów angielskiej firmy KANE. Opisane poniżej zasady są uniwersalne i dotyczą również analizatorów spalin innych producentów dostępnych na polskim rynku, np. produktów firmy SAUERMANN.

Co to jest analiza spalin?

Na analizę spalania składa się pomiar temperatury i stężenia gazów, a także pomiar ciśnienia ciągu i poziomów sadzy. Pomiary te wykonuje się poprzez wprowadzenie do kanału spalinowego sondy, która pobiera próbkę spalin do analizy. Ciąg obliczany jest na podstawie różnicy między ciśnieniem gazów wewnątrz kanału a ciśnieniem zewnętrznym. Natomiast poziom sadzy określa się wizualnie poprzez porównanie ze wzorcem zabarwienia, które pobrana próbka pozostawia na specjalnym filtrze.

Analizatory spalin

Zasada działania każdego analizatora jest podobna. Urządzenie przy pomocy wbudowanej pompki mechanicznej zasysa próbkę spalin, która jest doprowadzana do zamontowanych wewnątrz analizatora cel pomiarowych. Są to najczęściej czujniki elektrochemiczne, które na podstawie zachodzących w nich reakcji chemicznych wyznaczają stężenie danego gazu. Zmierzone wartości analizator wykorzystuje m.in. do obliczania sprawności kotła oraz wydajności procesu spalania.

Rys. 2.1. Analizator spalin Kane 458s

Mierzone i obliczane parametry:

• Wydajność
• Tlen
• Temperatura otoczenia
• Ciąg
• True NO_x (NO+NO₂)
• SO₂
• Prędkość spalin
• CO₂
• Temperatura spalin
• CO
• Nadmiar powietrza
• H₂S
• Węglowodory (C_xH_y)
• Stężenie masowe

Przeprowadzenie analizy spalin

Dobór Analizatora Spalin

Przed rozpoczęciem pomiarów należy ustalić, który analizator będzie odpowiedni do określonych zadań. W tym celu powinno się wziąć pod uwagę istotne cechy/elementy wyposażenia urządzenia, takie jak:
 
1. Świadectwo wzorcowania

Przed wykonaniem analizy warto zweryfikować, czy urządzenie posiada aktualne świadectwo wzorcowania. Jest to bardzo ważne, ponieważ cele pomiarowe są czujnikami elektrochemicznymi, w których zachodzą powolne reakcje, nawet jeśli przyrząd nie jest używany. Oznacza to, że analizator nieużywany od dłuższego czasu i nieregularnie wzorcowany może przestać działać poprawnie.

2. Normy

Następnie należy się upewnić, czy urządzenie wykonuje pomiar zgodnie z obowiązującymi normami. Analizatory mierzące CO bez kompensacji H2 (KANE 258, KANE 358) spełniają normę PN-EN50379-3 i można je wykorzystywać do analizy spalin podczas konserwacji i regulacji kotłów zasilanych gazem.

Urządzenia wyższej klasy (KANE 458, KANE 958, KANE 988, KANE 9206) mają zamontowane cele pomiarowe posiadające kompensację H2 (dzięki czemu pomiar CO jest dokładniejszy), co za tym idzie spełniają normę PN-EN50379-2 i mogą być używane przez instalatorów, serwisantów i inspektorów do analizy spalin z dowolnego kotła zasilanego dowolnym paliwem.

 
Analizatory wykonujące pomiary zgodnie z normą PN-EN50379-2 są wymagane podczas przeprowadzania przeglądów określonych przez przepisy prawa.

3. Cele (czujniki) pomiarowe

Do regulacji kotłów grzewczych najczęściej używane są analizatory, które mają standardowo zamontowane tylko dwie cele: do pomiaru O2 i CO (KANE 258, KANE 958) lub do pomiaru CO2 i CO (KANE358, KANE458). Określenie stężenia tych dwóch związków (O2 i CO lub CO2 i CO) jest wystarczające do obliczenia nadmiaru powietrza, strat oraz sprawności procesu spalania.

W przypadku kotłów regulowanych na podstawie badanej wartości dwutlenku węgla w spalinach, najkorzystniej jest wybrać analizator z bezpośrednim pomiarem CO2 (KANE 358 i KANE 458).

Natomiast w przypadku sytuacji gdy wymagana jest szczegółowa analiza emisji szkodliwych związków do atmosfery, należy zastosować analizatory (KANE 958, KANE 988, KANE 9206), które mają możliwość zamontowania dodatkowych opcjonalnych cel pomiarowych do określenia stężenia: NO, NO2, SO2, CxHx i H2S.

Dodatkowo podczas pomiaru NO2 i SO2 konieczne jest zastosowanie tzw. modułu kondycjonowania próbek (GCU), który natychmiastowo usuwa parę wodną z gazów spalinowych, dzięki czemu do analizatora docierają suche gazy - tylko w takich warunkach pomiar NO2 i SO2 jest prawidłowy.

4. Moc badanego kotła

Pomiar szkodliwych związków emitowanych do atmosfery najczęściej jest wymagany w kotłach przemysłowych. Niektóre tego typu kotły mają bardzo wysoką moc, a przewód odprowadzający spaliny może mieć ciąg kominowy na tyle duży (powyżej 50 mbar), że zwykły analizator nie jest w stanie sobie poradzić z zassaniem badanej próbki, dlatego w takich przypadkach stosuje się analizatory ze specjalną pompką o zwiększonej mocy (KANE 988, KANE 9206).

5. Długotrwałe pomiary

Jeśli wymagana jest długotrwała analiza spalin trwająca np. kilka godzin bez przerwy, analizator musi posiadać zamontowany system automatycznego odprowadzania wody z odstojnika kondensatu, który w przypadku badania kotłów o dużej mocy zapełnia się bardzo szybko. Tego typu funkcję posiadają najbardziej rozbudowane analizatory, np. KANE 9206.

Konfiguracja analizatora

Aby prawidłowo wykonać analizę spalin, bardzo ważne jest wprowadzenie do urządzenia pomiarowego charakterystycznych współczynników (wartość opałową, stechiometryczne wartości CO2, etc.) paliwa wykorzystywanego w badanym procesie spalania. Na podstawie tych współczynników analizator wyznacza najważniejsze cechy procesu spalania: stężenie CO2, (lub O2 – w zależności od zastosowanego analizatora), wydajność oraz nadmiar zużytego powietrza.

Analizatory KANE posiadają fabrycznie wprowadzone charakterystyki najczęściej używanych paliw – więc w ustawieniach należy jedynie wybrać odpowiednie paliwo.

Wykonanie analizy

W pierwszym kroku, w celach bezpieczeństwa, powinno się zmierzyć stężenie CO i CxHy w otoczeniu kotła. Występowanie wysokich stężeń tych związków w powietrzu może grozić wybuchem lub zatruciem. Wybrane analizatory spalin (KANE 458, KANE 958) umożliwiają pomiar gazów w otoczeniu za pomocą zewnętrznych bezprzewodowych sond. Pomiary te można wykonać też osobnymi przyrządami, jeśli takie już posiadamy.

Jeśli stężenie CO i CxHy w otoczeniu nie występuje lub jest na niskim bezpiecznym poziomie należy wywiercić w rurze spalinowej mały otwór o wymiarach ściśle dopasowanych do sondy analizatora, tak aby podczas pomiarów uniknąć wycieku gazu.

W celu uzyskania jak najdokładniejszych pomiarów, sondę powinno się umieszczać przed tłumikiem lub przełącznikiem ciągu oraz jak najbliżej wyjścia spalin z kotła, przy czym przed punktem pomiarowym powinien być zachowany prosty odcinek przewodu spalinowego o długości dwóch średnic tego przewodu (patrz rys. 2.3).

Rys. 2.3. Mocowanie sondy pobierającej próbkę spalin (źródło: Sauermann, opracowanie własne)

Tak zamontowana sonda pozwala na uniknięcie rozcieńczenia oraz ochłodzenia próbki gazu w przewodzie spalinowym. Jeśli kocioł posiada ekonomizer stosu lub podobne urządzenie, pomiar należy wykonać tuż za zainstalowanym urządzeniem.

Kolejnym krokiem jest pomiar sadzy w spalinach (test nieprzezroczystości). Najczęściej do tego celu wykorzystuje się specjalną manualną pompkę, do której wprowadza się wymienny filtr, a następnie zasysa się próbkę spalin. Jeśli w spalinach znajduje się sadza, na filtrze tworzy się odbarwienie.

Występowanie sadzy oznacza, że w kotle zachodzą nieprawidłowe parametry spalania. W takim przypadku należy przeprowadzić wstępną regulację (zwiększyć ilość dostarczanego powietrza), tak aby stężenie sadzy w spalinach było minimalne. Jest to bardzo ważne (szczególnie w kotłach zasilanych paliwem stałym), ponieważ sadza może uszkodzić czujniki pomiarowe w analizatorze spalin.

Rys. 2.4. Pompka do badania nieprzezroczystości spalin (źródło: www.e-inst.com)

Dopiero po przeprowadzeniu testu nieprzezroczystości powinno wykonać się pomiary analizatorem spalin.

Należy pamiętać, aby przed wprowadzeniem sondy do przewodu spalinowego upewnić się , że urządzenie działa poprawnie, tzn. wskazywana wartość tlenu jest na poziomie 20,9 – 21%, natomiast wartość pozostałych mierzonych parametrów wynosi 0 ppm. Pomiary temperatury i stężenia gazów w spalinach najlepiej wykonać trzykrotnie, a ostateczny wynik powinien być średnią tych pomiarów. Dopiero na ich podstawie przeprowadza się właściwą regulację lub kontrolę kotła grzewczego.


Przekroczenie zakresu pomiarowego tlenku węgla

W trakcie pomiaru stężenia spalin często dochodzi do sytuacji, w której przekroczony zostaje zakres pomiarowy celi CO. Analizatory mają wbudowane zabezpieczenie, które powoduje automatyczne zatrzymanie się pompki zasysającej spaliny. Pompka z powrotem włącza się zazwyczaj dopiero po kilkunastu minutach.

Należy wtedy wynieść analizator na świeże powietrze w celu przepłukania cel pomiarowych i odczekać, aż wartość wskazywanego przez analizator stężenia CO wyniesie 0 ppm. Cały proces jest czasochłonny (może to trwać nawet do 1 godziny) i stanowi duże utrudnienie w przypadku regulacji kotła, w którym stężenie tlenku węgla CO w spalinach jest wysokie.

Przemysłowe analizatory (modele: KANE 988, KANE 9206) poza standardowymi elektrochemicznymi celami CO posiadają dodatkowe czujniki na podczerwień do pomiaru wysokich stężeń tlenku węgla, co pozwala na automatyczne zwiększenie zakresu pomiarowego do 10% objętości gazów (100 000 ppm). Jest to najlepsze i najwygodniejsze zabezpieczenie elektrochemicznej celi pomiarowej, bo umożliwia nieprzerwaną analizę spalin wszystkich parametrów przy występujących stężeniach CO nawet powyżej 10000 ppm.

Należy przy tym mieć na uwadze, że tak wysokie stężenie CO w spalinach jest bardzo niebezpieczne. Jeżeli występuje jakakolwiek nieszczelność w miejscu wprowadzenia sondy pomiarowej do kanału spalinowego, tlenek węgla może wydostać się na zewnątrz i spowodować zatrucie operatora urządzenia.

Zakończenie analizy

Po wykonaniu pomiarów nie należy wyłączać analizatora. Urządzenie powinno jeszcze przez jedną minutę pracować na świeżym powietrzu, tak aby schłodzić sondę i przewody, a także aby wypłukać resztki gazów i zregenerować cele pomiarowe.

Opis obliczanych wartości przez analizatory spalin

Jak już wcześniej było wspomniane analizatory spalin na podstawie mierzonej temperatury i stężeń związków w spalinach oraz na podstawie charakterystycznych współczynników dla danego paliwa obliczają nadmiar powietrza użytego w procesie spalania, straty oraz sprawność kotła.

Poniżej przedstawiona jest tabela z opisem podstawowych współczynników wyznaczanych przez analizatory spalin Kane:

Rys. 2.5. O2 i CO2 w zależności od nadmiaru powietrza λ (źródło: „Ogrzewanie i Klimatyzacja” Recknagle, Rprenger, Honmann, Schramek, Gdańsk 1994)

Przechowywanie zmierzonych danych

Po zakończeniu analizy wszystkie zmierzone i obliczone wartości należy wydrukować lub zapisać do wewnętrznej pamięci urządzenia. Z biegiem czasu parametry każdego kotła pogarszają się. Aby zrozumieć wynikające z tego powodu (krótko i długo-terminowe) zmiany zachodzące w procesie spalania, trzeba prowadzić regularną dokumentację wszystkich wykonanych analiz dla danego kotła. Porównując aktualne pomiary z wcześniej wykonanymi możemy zidentyfikować, które element w układzie spalania wymagają wymiany w celu zwiększenia wydajności.

 
Konserwacja analizatora spalin

Analizatory spalin posiadają czujniki elektrochemiczne (cele pomiarowe), o ograniczonej żywotności, która z reguły wynosi od 2 do 3 lat. Specyfika tych czujników powoduje, że tracą one swoje właściwości nawet, gdy nie są używane. Dodatkowo żywotność ich znacznie się skraca, w przypadku gdy czujniki są często narażone na stężenie badanych gazów przekraczające górne zakresy pomiarowe tych czujników. Biorąc to wszystko pod uwagę bardzo ważne jest, aby regularnie (najlepiej raz w roku) analizator sprawdzać w laboratorium wzorcującym, by mieć pewność, że wskazania urządzenia są prawidłowe.

Po wykonanej kalibracji zostaje wystawiony dokument (świadectwo wzorcowania lub certyfikat kalibracji), który potwierdza, że czujniki mierzą poprawnie zgodnie z błędem podawanym przez producenta w danych technicznych analizatora.

Rys. 2.7. Wzorcowanie analizatora KIGAZ210 w Laboratorium Badawczo-Wzorcującym MERSERWIS (źródło: Merserwis, materiały własne)

Podsumowanie

Każdy proces spalania ma swoją własną niezależną charakterystykę. Nie można pomiarów wykonanych na jednym kotle wykorzystać do regulacji innego kotła (nawet jeśli jest to ten sam typ urządzenia, które pracuje w podobnych warunkach).

Dlatego bardzo ważne jest, aby dla każdego urządzenia grzewczego (kotła) przeprowadzać regularną analizę parametrów wymienionych w tym artykule. Tylko w ten sposób można wyregulować proces spalania w sposób, który zapewni utrzymanie najlepszej równowagi między wydajnością spalania, efektywnością konserwacji, bezpieczeństwem i ochroną środowiska – ograniczając emisję zanieczyszczeń zwiększając przy tym efektywność energetyczną przy mniejszych kosztach.

Jeżeli po zapoznaniu się z powyższym materiałem pojawią się pytania dotyczące doboru lub stosowania analizatora spalin, zapraszamy do kontaktu z Merserwis, gdzie postaramy się na nie sprawnie odpowiedzieć./p>

 
---

Przejdź do: Część 1 - Spalanie

---

Materiały źródłowe i odniesienia:
^[1] PN-EN50379-1: 2013-04 - Wymagania dotyczące przenośnych przyrządów elektrycznych do pomiaru parametrów gazu spalinowego urządzeń grzewczych – Część 1: Wymagania podstawowe i metody badań
^[2] PN-EN50379-2: 2:2013-03 - Wymagania dotyczące przenośnych przyrządów elektrycznych do pomiaru parametrów gazu spalinowego urządzeń grzewczych – Część 2: Wymagania funkcjonalne dotyczące przyrządów stosowanych podczas regulowanych prawem inspekcji i oceny
^[3] Michael Biernes in collaboration with Bill Freed and Jason Esteves – COMBUSTION
^[4] Jan Bylicki i Jacek Parys – Wybrane zagadnienia z problematyki spalania
^[5] Recknagel, Sprenger, Honmann – OGRZEWANIE + KLIMATYZACJA
^[6] E Instruments International LLC - www.e-inst.com
^[7] Wikipedia