Energetikai és K.védelmi mérések Energetikai folyamatok és berendezések
Gázelemzı készülékek Kovács Viktória Barbara
BMEGEENAG51 és BMEGEENAG71
Emisszió mérése • Káros anyagok • Emisszió mérırendszer – In situ – Mintavételezés
• Mintavevı mőszerek követelményei • Elemzık – – – –
NDIR (CO, CO2, CH4, ….) FID (THC, CxHy, VOC) PMD (O2) (H)CLD (NO, NOx,)
• Cellás mérırendszer • Kromatográfia • Régebbi mérırendszerek
Káros anyagok • CO2 – üvegházhatás
• CO – mérgezı (fulladás már ~700ppm-tıl)
• THC – sokféle káros tulajdonság vegyületfüggı: pl:Metán: üvegházhatás, de az aromások rákkeltık
• NOx – savas ülepedés
• SOX – savas ülepedés
Insitu mérés – Helyszíni mérés
Elıny – Nem kell mintát elıkészíteni – Kis holtidı
Hátrány – Drágábba felszerelés – Több komponens mérése kritikus – Nedves állapotot mér
http://www.sick.com/home/en.html
Mintavételezés - Mintavevı rendszer Elıny – Mérés a kibocsátástól messze is megoldható – Több rendszer is üzemeltethetı egyszerre – Kis koncentrációk is mérhetık Minta
Elemzõk Mintaelõkészítõ hőtı
P
Hátrány – – – – –
Több egységbıl épül fel Főtött mintavevı Nagy holtidı Korrózió, vezetékeldugulás veszélye Vízkicsapódás (befagyhat, korrózió) Korom lerakódás („csı emlékezik”)
Kalibráló gázok
Mérımőszerekkel szemben támasztott követelmények 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Lehetıleg fizikai elven mérjen (kémiai is lehet) Gyors legyen (min. mp-es reakcióidı) Idıben stabil legyen Megfelelı érzékenységgel rendelkezzen Szelektív legyen Keresztérzékenysége kicsi legyen Lineáris karakterisztikájú legyen Idıjárástól független legyen Védett legyen Lehetıség szerint olcsó legyen
Infravörös spektroszkópia • Az infravörös spektroszkópia, mely a rezgési spektroszkópia egyik formája, az analitikai kémia egy elemzési módszere, a színképelemzés tárgykörébe tartozik. • A módszer lényege, hogy a vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös EM sugárzással • λ: 780 nm –1000 µm (f: 300 GHz – 384 THz) • mintán átesı, vagy a mintáról visszaverıdı, a minta molekuláris tulajdonságai által módosított sugárzás változását a megfelelı detektorok jelkülönbségén mérjük
Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés
NDIR (Non-dispersive infrared absorption) Elvi felépítése a NDIR szenzornak
http://www.tsi.com/iaq/appnote/ndir_co2.shtml
NDIR (Non-dispersive infrared absorption)
ttp://www.signalinstruments.com
NDIR (Non-dispersive infrared absorption)
ttp://www.signalinstruments.com
NDIR (non-dispersive infrared absorption) Infravörös abszorpciós mérési elv
http://www.mdpi.com/1424-8220/13/6/7079/htm
CO2
http://www.raesystems.com
Infravörös abszorpciós mérési elrendezés Gas Filter Correlációs IR (GFC) módszer
http://www.cambustion.co.uk
FTIR - Furier Transformed Infrared spektroszkópia • A gázállapotú molekulák a rájuk jellemzı frekvencián rezegnek. A rezgésekhez tartozó frekvencia az adott molekula energiaállapotát jellemzi. • Az infravörös besugárzás hatására a molekula egy magasabb energiaállapotba kerül, miközben a rá jellemzı frekvencián sugárzást nyel el. • Az FTIR-spektrométer széles spektrális tartományban győjt egyidejőleg spektrális adatokat. • A fényforrásból, ami a mérendı hullámhosszak teljes spektrumát tartalmazza, egy interferométeren keresztül jut a fény a mintára, ahonnan kilépı fény spektruma pillanatról-pillanatra más. Minden pillanatban megmérik, hogy az így besugárzott energia mekkora részét nyeli el a minta. • A nyers adatoknak (interferogram) tényleges spektrummá alakításához a Fourier-transzformációt alkalmazzák. • A folyamat eredménye az IR abszorbciós spektrum, mely egyedileg azonosíthatóvá teszi a molekulát.
Új FTIR (Furier Transformed Infrared) spektroszkópia
HCl molekula a 2880 cm-1 hullámszámon rezeg
Abszorbancia
• A molekulák a rájuk jellemzı abszorbciós spektrumával azonosíthatók. • Kivételt képeznek a kétatomos gázmolekulás, mint az O2, N2, H2, Cl2, F2, és a nemesgázok, valamint a nagyon alacsony abszorbciós képességő H2S. • Az abszorbció mértéke arányos az adott komponens koncentrációjával (Lambert-Beer törvény)
fénysebesség Frekvencia = ___________ hullámhossz Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés
NDIR/ FTIR összehasonlítás Gas Filter Correlációs IR •Egy szőrı által meghatározott keskeny frekvenciasávban mér •Egy szőrıvel csak egy komponens mérhetı •Többkomponenső gázkeverékek további szőrık alkalmazását teszik szükségessé •További szőrık használata további kalibrációt feltételez.
Fourier Transform Infrared (FTIR) •A Spektrometer egyidejőleg a teljes spektrumon mér és teljes elnyelési spektrumot állít elı. •Egyidejőleg számos molekula vizsgálható •Ugyanazok az optikai eszközök használhatóak bármely komponens mérésére, nem szükséges minden komponensre kalibrálni. Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés
Kemilumuneszcencia • A nitrogénoxid molekula ózon hatására nitrogén dioxiddá oxidálódik, miközben a nitrogén-dioxid molekulák egy arányos része gerjesztett állapotba kerül. NO+O3 → (1-n)·NO2+ n·NO2*+O2 • A gerjesztett állapotból a stabil állapotba történı átalakulás során a molekula fényenergiát bocsát ki. A kibocsátott fényt egy detektorral elektromos jellé alakítva a koncentrációval arányos jel mérhetı. NO2* → NO2+ hv
CLD (Chemiluminescent Detector) Kemilumineszcenciás detektor Alapja: NO+O3→NO*2+O2
www.emersonprocess.com
NOx mérés
Konverzió hatásfoka hımérséklet függı
1- O2 vagy levegı; 2- ózon generátor; 3- reakció kamra; 4- foto elektronsokszorozó; 5- kijelzı; áram ellátás; 7- NOx konverter (üvegszerő főtött szén-ágy); 8- szőrı; 9- minta; 10- NO NO+O3→NO*2+O2
NOx mérés
NO+O3→NO*2+O2
Lángionizácios detektor FID-Flame Ionisation Detector • A szerves kötésben lévı szén hidrogénlángban bekövetkezı ionizációján alapul. • A FID által mért ionáram függ az égésgáz lángjában elégı szerves vegyületek szénatomjainak számától, a kötési formától (egyenes vagy elágazó lánc) és a kötési partnerektıl. • A válaszjelfaktor a detektor specifikus felépítésétıl és a beállított üzemeltetési körülményektıl függ. • A következı ábra azt az elvet mutatja be, amikor a detektorban a gázmintát olyan hidrogénlángba vezetik, ami egy egyenfeszültségő elektromos térben helyezkedik el. A gázminta elégése egy specifikus ionáramot kelt, melyet megfelelı mőszerrel mérnek.
FID égıfelépítése
http://www.srigc.com
FID égıfelépítése
http://www.srigc.com
Láng ionizációs detector FID (Flame Ionization Detector)
http://www.srigc.com
UV-FID (Flame Ionization Detector) Láng ionizációs detector
http://www.synspec.nl
UV-FID (Flame Ionization Detector) Láng ionizációs detector
http://www.synspec.nl
Oxigén mérse - Paramágneses detector • A kiegyenlítetlen, páratlan spínő elektronokkal rendelkezı atomok, mint az oxigén paramágnesességet mutatnak, azaz az ilyen atomokra a külsı mágneses tér vonzást gyakorol. • A füstgázok egyéb összetevıi nem vagy nagyon kis mértékben rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, ezért alkalmas az oxigén szelektív mérésére. • Meghatározott geometriájú mérıcellát mágneses térbe helyezve a paramágneses tulajdonságú molekulák egyirányú áramlása idézhetı elı. Az áramlás mértékét érzékelı detektor mérıjele arányos a gázkeverék oxigéntartalmával.
PMD (ParaMagnetic Detector) Paramágneses detector
www.fic-net.co.jp
PMD (ParaMagnetic Detector) Paramágneses detector
Keresztérzékenység O2
+100
Nitrogen
-0.42
Air
+21 (száraz)
Chlorine
-0.13
CO2
-0.61
Hydrogen
-0.12
Argon
-0.58
Acetylene
-0.38
Ammonia
-0.58
N2O
-0.58
Ethane
-0.83
NO
+43.8
Methane
-0.37
NO2
+28.0
www.fic-net.co.jp
O2 mérés alternatív megoldásai
Cirkónium szonda
O2 mérés alternatív megoldásai
1- levegı; 2- füstgáz; 3- érzékelı; 4- elektrolit (cirkónium-dioxid); 5- füstgáz oldal; 6-referencia oldal; 7- oxigén ionáram Cirkónium szonda
Cellás mérırendszerek Minta CO2
CO Diffuziós gát Mérıelektród (anód) – SO2 aktív szén, arany
-
2e
I
+
2H
Mérıelektród (katód) –platina Diffuziós gát
-
2e
Elektrolit
- CO, platina
1/2 O2 Referencia gáz
Anód:
CO
SO2
NO
NO2
H 2S
CO
100
65
30
-60
340
SO2
2
100
0
-100
200
NO
0
5
100
15
18
NO2
-1
-5
5
100
20
H 2S
7
20
0
-20
100
CO+H2O -> CO2+2H++2e-
Katód: ½ O2+2H++2e- -> H2O
Keresztérzékenység
Gázkromatográfia Vivıgáz
Minta Detektor
Oszlop (kolonna)
Oszlop v. Kolonna Termosztát
Vivıgáz http://web.mit.edu/12.000/www/finalpresentation/experiments/gcms.html
Gázkromatogramm
http://www.srigc.com
Régebbi mérımőszerek Duplex-Mono készülék: CO2 meghatározása elnyeletés alapján Orsat készülék : elnyeletı oldat, mintagáz térfogatcsökkenésébıl lehet következtetni az egyes komponensek mennyiségére Pl:
CO + SO2 -KOH O2 -lúgos pirogallol oldat CO -ammóniás rézklorid
Régebbi mérımőszerek Égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék: 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 Gyakorlatban: Wheatstone-híd platina huzalokkal, egyik referencia a másik a mérı, + 2 hımérsékletváltozásra érzéketlen ellenállás
Régebbi mérımőszerek Gázok hıvezetési tényezıjének különbözısége alapján mőködı készülék: ha mérı és a referencia csatornában nem azonos gáz van az másképp fogja hőteni az ellenállásokat, az mérendı gáz koncentrációjával arányosan megváltozik az ellenállása a mérıcsatornában ellenálásnak Gyakorlatban: Wheatstone-híd 4 db azononos platina huzalokkal. 2-2 a mérı és a referencia csatornában van, ellenállásváltozást mér itt is
Régebbi mérımőszerek Kémiai elven mőködı készülék: A vizsgálandó gázt egy reagenssel töltött üvegcsövön áramoltatják át. Gázok meghatározott reagenssel történı reakciója során a reagens eredeti színe megváltozik. Az elszínezıdı csıhosszúság a gázkoncentrációra jellemzı. A üvegcsövön, lévı skálán a gázalkotó mennyisége leolvasható. A szonda csak egyszer használható (ilyen az alkohol szonda)
Kérdések 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Melyek az égéstermékben elıforduló legjelentısebb légszennyezık és miért károsak? Az égéstermékek (füstgázok, kipufogógázok) milyen elıkezelését igénylik a gázalkotó meghatározó készülékek? Ismertesse az Orsat készülék mőködését! Ismertesse a Duplex-Mono készülék mőködését! Ismertesse az égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék mőködését! Ismertesse a gázok hıvezetési tényezıjének különbözısége alapján mőködı készülék mőködését! Ismertesse a kolorimetria alapján mőködı készülék (Dräger szonda) mőködését! Hogyan mérjük a O2 koncentrációt ? Hogyan mérjük a CO2 koncentrációt ? Hogyan mérjük a CO koncentrációt ? Hogyan mérjük a NOx koncentrációt ? Hogyan mérjük a THC koncentrációt ?
Energetikai Mérések I.
Köszönöm a figyelmet!
2010/2011 İszi félév
