Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Ústav fyziky a měřicí techniky

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Ústav fyziky a měřicí techniky

Návod na laboratorní úlohu:

Měření koncentrace atmosférických polutantů vznikajících při nedokonalém spalování zemního plynu

Návod na laboratorní úlohu: Měření koncentrace atmosférických polutantů vznikajících při nedokonalém spalování zemního plynu

Teoretický úvod Jedno z nejdiskutovanějších témat dnešní doby je globální oteplování klimatu a podíl člověka na něm. V důsledku lidské činnosti i přírodních procesů se do atmosféry ročně dostávají miliony tun tzv. skleníkových plynů, které zadržují odrážené sluneční infračervené záření od povrchu planety a tím přispívají ke zvyšování teploty klimatu. Problémy, které jsou se zvyšováním teploty klimatu spojené, nutí člověka optimalizovat či omezovat největší zdroje znečištění, ke kterým patří zejména spalování fosilních paliv. Mnohé průmyslové provozy, továrny či elektrárny jsou nuceny pod tlakem legislativy zavádět monitoring množství vypouštěných emisí. Jedna ze základních možností sledování koncentrace vypouštěných skleníkových plynů je využití tzv. automatických analyzátorů plynů. Automatické analyzátory plynů jsou zařízení, které využívají různých fyzikálních, fyzikálně-chemických metod či vlastností měřených plynů, na základě nichž jsou schopny kvantitativně a kvalitativně určovat složení měřené atmosféry. Úkolem této laboratorní úlohy je seznámit se se systémem automatických analyzátorů plynů Advance Optima pro měření koncentrace CO, CO2, O2 a CH4, vznikajících spalováním směsi zemní plyn/vzduch s definovaným směšovacím poměrem palivo/vzduch. Spalovací proces zemního plynu Zemní plyn je přírodní plyn, který slouží jako významné fosilní palivo. Hlavní složkou zemního plynu je methan, kterého je v závislosti na místě těžby okolo 98%, zbytek tvoří vyšší alkany jako například ethan (1%), případně znečišťující příměsi CO2, N2, S. Výhodou zemního plynu oproti ostatním fosilním palivům je, že při jeho spalování vzniká nejmenší množství CO2 na jednotku energie [1]. Ideální proces spalování methanu kyslíkem lze popsat následující rovnicí: 2

2

Problematika spalování zemního plynu ve vzduchu je však mnohem komplikovanější, což je dáno zejména skutečností, že zemní plyn je vícesložkový a ne vždy ke spalování dochází za dostatečného přístupu vzduchu. V produktech rovnice spalovací reakce zemního plynu tak lze nalézt nejenom CO2 a H2O, ale také nespálené zbytky CH4 či CO a další sloučeniny. Pro zjednodušení budeme v rovnici uvažovat pouze tyto reaktanty a produkty spalování zemního plynu ve vzduchu (bez vyčíslení):

Úkolem této práce bude změřit množství produktů vznikajících při spalování směsi zemní plyn/vzduch v různých poměrech. Automatické analyzátory Advance Optima Automatické analyzátory Advance Optima jsou modulárním systémem analyzátorů, který byl vyvinut firmou Hartmann & Braun, v současné době se o další vývoj stará firma ABB. Základem je tzv. ústřední jednotka, ke které jsou připojovány tzv. analyzační moduly pomocí systémové sběrnice. Ústřední jednotka společně s analyzačním modulem tvoří jeden analyzátor a je to nejmenší jednotka analyzačního systému. 2


Funkce systémové řídicí jednotky je [2]: • zpracování a další předávání měřených hodnot, které dodává senzorová elektronika analyzačních modulů, • řízení funkcí systému např. kalibrací, • zobrazování a obsluha, • řízení připojených systémů např. doprava měřeného plynu, • komunikace analyzačního systému s externími systémy. Analyzační moduly dostupné pro ústřední jednotku [2]: • tepelně-vodivostní analyzační moduly Caldos (měření např. H2, Ar, He), • kyslíkové analyzační moduly Magnos (měření koncentrace O2), • analyzační moduly Multi-FID (plameno – ionizační detektor), • infračervené analyzační moduly Uras (měření koncentrace např. CH4, CO, CO2). Laboratorní stanice, která je použita v této práci, je vybavena jednou ústřední jednotkou, dvěma moduly Uras 14 pro měření koncentrace CH4, CO, CO2 a jedním modulem Magnos 16 pro měření koncentrace O2, které jsou vzájemně propojeny systémovou sběrnicí. Všechny čtyři zařízení jsou umístěny vždy po dvou v 19“ boxech určených pro umístění do stojanů. Součástí stanice je dále chladící jednotka Advance SCC, která slouží pro úpravu měřeného plynu v analyzačním systému. Hlavní úkoly této jednotky jsou [2]: • ochlazení měřeného plynu • odloučení kondenzátu

Uras 14 – princip funkce Analyzační modul Uras je určen pro měření koncentrace látek s trvalým dipólovým momentem absorpcí infračerveného záření. Základní uspořádání vychází z koncepce Urasu 1, který byl vyvinut již v první pol. 20. stol. Obecné schéma uspořádání tohoto analyzačního modulu je na obrázku 1 [3].

Obrázek 1: Schéma infračerveného analyzátoru Uras [3]. 1) zdroj infračerveného záření, 2) reflektor, 3) rotační clona, 4) měřicí kyveta, 5) srovnávací kyveta, 6) detektor, 7) membrána tlakového převodníku, 8) pevná elektroda kapacitního snímače, 9) zesilovač Princip funkce analyzátoru Uras je následující: Zdrojem záření je žhavený chromniklový drát. Záření je modulováno rotující clonou o známé frekvenci a modulované záření dále prochází kyvetou se vzorkem a paralelně kyvetou s dusíkovou neabsorbující atmosférou. Oba dva svazky, jeden nezeslabený a druhý zeslabený průchodem absorbující měřenou 3


atmosférou, dopadají do komor selektivního detektoru s tlakovým převodníkem. Ten je tvořen dvěma komorami naplněnými měřeným plynem, vzájemně oddělenými tenkou hliníkovou membránou, která tvoří jednu elektrodu kondenzátoru. Druhá elektroda kondenzátoru je pevná. Při dopadu záření do komory detektoru dochází k ohřevu plynu a tedy jeho rozpínání a s tím souvisejícím zvyšováním tlaku plynu v detektoru. Pokud je energie zářivého toku vlnových délek měřené složky dopadající do obou komor rozdílná, dochází k tomu v okamžiku kdy je v měřicí kyvetě detekovaná složka plynu, je i tlak v obou komorách rozdílný, což se projeví na prohnutí tenké membrány kondenzátoru. Dopadající záření je modulované, a tak i v případě výskytu detekovaného plynu v měřicí komoře dochází ke střídavému vychylování elektrody kondenzátoru, velikost amplitudy této výchylky je pak úměrná koncentraci měřené složky plynu. V laboratorní úloze jsou použity celkem dva analyzační moduly Uras 14, první umožňuje měřit koncentraci nespálených zbytků CH4 ve spalinách, druhý je určen pro měření koncentrace CO a CO2 (tento modul obsahuje dva infraanalyzátory). Magnos 16 – princip funkce Analyzační modul Magnos 16 je určen pro selektivní detekci kyslíku. Princip jeho funkce je termomagnetický a využívá paramagnetických vlastností kyslíku. Základem tohoto analyzačního modulu je kruhová komora s přívodem a odvodem měřeného vzorku viz obrázek 2.

Obrázek 2: Kruhová komora termomagnetického analyzátoru [3]. 1) měřicí trubice, 2) pólové nástavce permanentního magnetu, 3) topné vynutí, měřicí strana, 4) přívod analyzovaného plynu, 5) topné vynutí, srovnávací strana, 6) kruhová komora, 7) výstup analyzovaného plynu, 8) srovnávací odpory Wheatstonova můstku, 9) měření výstupního napětí, 10) přívod napájecího napětí.

4


Obě větve kruhové komory jsou uprostřed spojeny tenkou trubičkou, na které jsou navinuta dvě topná vinutí připojená do Wheatstonova můstku a nesouměrně k vynutí je umístěn permanentní magnet. Funkce komory je pak následující: Středová trubička kruhové komory je vyhřívána topnými spirálami a napětí na diagonále Wheatstonova můstku je nulové. Je-li ve středové trubičce přítomen paramagnetický plyn, jehož susceptibilita silně závisí na teplotě (v našem případě kyslík) jsou chladnější molekuly tohoto plynu vtahovány mezi póly permanentního magnetu, teplejší molekuly tedy odcházejí opačným směrem. Ve středové trubičce tak vzniká tzv. termomagnetický vítr, který ochlazuje, resp. ohřívá topné spirály, čímž vzniká měřitelná výchylka napětí na diagonále Wheatstonova můstku úměrná koncentraci paramagnetického plynu. V laboratorní stanici je použit jeden magnetický analyzátor kyslíku Magnos 16. Chladící jednotka Advance SCC – princip funkce Chladící jednotka Advance SCC slouží k úpravě měřeného vzorku plynu před vstupem do analyzačních modulů. V chladicí jednotce se vlhký měřený vzorek ochladí natolik, aby v žádném následujícím místě analyzačního systému nedošlo k ochlazení na teplotu nižší než rosný bod a tím vniknutí kondenzátu do analyzátoru. Základní schéma jednotky je na obrázku 3.

Obrázek 3: Základní schéma chladicí jednotky Advance SCC [4]. 1) vstup vzorku, 2) výstup vzorku, 3) předkondenzace, 4) výměník tepla, 5) zásobník kondenzátu, 6) senzor hladiny, 7) senzor teploty Pt100, 8) průtočná komůrka, 9) svorkovnice, 10) peristaltické čerpadlo pro odvod kondenzátu, 11) výstup kondenzátu, 12) teplotní senzor NTC, 13) provozní kontrolní přístroj (bargraf). 5


Funkce chladicí jednotky Advance SCC je následující: Vzorek odebíraný z procesu (1) je ochlazován pomocí tepelného výměníku (4) na teplotu cca +3 °C kdy dochází ke kondenzaci vlhkosti ve vzorku. Kondenzát odtéká do nádobky (5), kde je výška jeho hladiny sledována pomocí senzoru (6). V případě dosažení 75% zaplnění nádobky je vyslán signál do peristaltického čerpadla (10), které kondenzát odčerpá. V případě většího množství vlhkosti ve vzorku je možná předkondenzace (3). Teplota měřeného vzorku je hlídána pomocí teplotního senzoru NTC (12) a teplota je zobrazována na bargrafu (13). Pomocí teplotního senzoru Pt100 (7) je vysílán stavový signál, kterým je sledováno dosažení chladící teploty v jednotce, v případě, že je teplota překročena, senzor vypíná čerpadlo plynu do analyzačních modulů a tím chrání analyzátor před poškození kondenzací vlhkosti ve vzorku. Laboratorní stanice – popis funkce Laboratorní stanice slouží k simulaci reálných podmínek, ve kterých pracuje analyzační systém Advance Optima. Základem stanice je funkční model komínu s hořákem, ve kterém dochází ke spalování definovaného poměru zemního plynu se vzduchem. Následně jsou vznikající spaliny analyzovány pomocí analyzačního systému Advance Optima. Schéma vedení plynu ve stanici je zobrazeno na obrázku 4. 9

10

8 VZDUCH

2

12

11

3

13

1 KONDENZÁT

ZEMNÍ PLYN

4

5

6

7

SPALINY

14

Obrázek 4: Schéma laboratorní stanice – vedení plynu a kondenzátu. 1) kompresor, 2) uzávěr tlakového vzduchu, 3) kontrolér pro měření a regulaci průtoku plynných médií (vzduch), 4) uzávěr zemního plynu, 5) membránové čerpadlo, 6) bezpečnostní ventil, 7) kontrolér pro měření a regulaci průtoku plynných médií (zemní plyn), 8) hořák s komínem, 9) výměník chladící jednotky Advance SCC, 10) čerpadlo vzorku, 11) peristaltické čerpadlo kondenzátu, 12) kyveta infračerveného analyzátoru Uras 14 (měření koncentrace CO a CO2), 13) kruhová komora termomagnetického analyzátoru Magnos 16 (měření koncentrace O2), 14) kyveta infračerveného analyzátoru Uras 14 (měření koncentrace CH4). Vzduch je do stanice vháněn z tlakových rozvodů vzduchu v laboratoři pomocí kompresoru (1), zemní plyn je vháněn z rozvodů zemního plynu (4) a jeho tlak je zvýšen pomocí membránového čerpadla (5). Oba plyny procházejí dvojicí kontrolérů pro měření a regulaci průtoku plynných médií (3,7), které jsou řízeny pomocí průmyslového počítače s měřicí kartou. Vzniklá směs vzduchu se zemním plynem je spalována v modelu komínu s hořákem (8). Pomocí chladicí jednotky Advance SCC (9) s čerpadlem vzorku (10) je odebírán vzorek spalin do analyzátorů Uras 14 (12,14) a Magnos 16 (13), kde je vyhodnocena koncentrace CH4, CO2, CO a O2 ve vzorku. 6

Návod na laboratorní úlohu: Měření koncentrace atmosférických polutantů vznikajících při nedokonalém spalování zemního plynu 7

8 Q

4

5

T

VZDUCH

T

6 L

1 2

3 KONDENZÁT

ZEMNÍ PLYN

SPALINY

Obrázek 5: Vybraná důležitá měřidla, zařízení a elektrické signály: 1)jiskřiště, 2) ionizační senzor plamene, 3) kotlová automatika, 4) termočlánek typ K a zobrazovací jednotka, 5) teploměr NTC a bargraf, 6) snímač hladiny, 7) průmyslový počítač s měřicí kartou, 8) ústřední jednotka analyzačního systému. Laboratorní stanice je vybavena množstvím doplňujících měřidel a elektronických zařízení. Na obrázku 5 jsou zobrazeny důležitá zařízení stanice. Základem modelu topeniště je jiskřiště (1) napájené z kotlové automatiky (3) vysokonapěťovým signálem. Vlastní hoření hlídá ionizační senzor plamene (2), který v případě zhasnutí plamene uzavře předřazený bezpečnostní ventil kontroléru pro měření a regulaci průtoku zemního plynu. Automatika poté inicializuje nový cyklus zapalování. Čerpadlo vzorku je spínáno z chladící jednotky Advance SCC v okamžiku, kdy teploměr NTC (5) indikuje optimální teplotu chladícího média. Elektrovodivostní dvouhodnotový hladinoměr umístěný v nádobce na kondenzát hlídá množství kondenzátu a v případě překročení limitu spíná peristaltické čerpadlo chladící jednotky, které odčerpá kondenzát ze stanice. Vlastní stanice je zobrazena na obrázku 6. Základem laboratorní stanice je již zmíněný analyzační systém Advance Optima (2 – 5) s chladicí jednotkou Advance SCC (9), umístěný ve stojanu pro 19“ boxy (1). Ke spalování dochází v modelu komínu s hořákem (14). Stanice je vybavena průmyslovým PC (12) s operátorským displejem a příslušenstvím (6 – 8). Kontroléry pro měření a regulaci průtoku plynných médií spolu s kotlovou automatikou, zdroji napájení, měřicí kartou umožňující komunikaci PC se stanicí a další elektronikou jsou umístěny v boxu (11).

7


Obrázek č. 6: Celkový pohled na laboratorní stanici. 1) 19“ stojan, 2) analyzační modul MAGNOS 16, 3) analyzační modul URAS 14, 4) analyzační modul URAS 14, 5) ústřední jednotka analyzačního systému Advance Optima, 6) operátorský displej, 7) klávesnice, 8) myš, 9) chladící jednotka Advance SCC, 10) peristaltické čerpadlo na kondenzát, 11) box s kontroléry pro měření a regulaci průtoku plynných médií, zdroji napájení, měřicí kartou, zdrojem napájení analyzátorů, kotlovou automatikou a další elektronikou, 12) řídicí jednotka na bázi průmyslového počítače se softwarem LabVIEW, 13) záložní zdroj napájení a přepěťová ochrana, 14) model komínu s hořákem. 8


Úkoly měření 1. Vypočítejte teoretické množství CO2 (v obj. %) v analyzovaném vzorku, který vzniká spalováním směsi zemní plyn/vzduch vytvořené při 100% otevření hmotnostních kontrolérů. 2. Vypočítejte pozici kontroléru pro měření a regulaci průtoku vzduchu v %, při které vzniká směs zemní plyn/vzduch s teoretickým poměrem CH4/O2 potřebným pro dokonalé spalování methanu na CO2 a H2O. 3. Na laboratorní stanici ověřte množství polutantů vznikajících při spalování směsi dle úkolu 1. Diskutujte získané výsledky. 4. Na laboratorní stanici ověřte množství polutantů vznikajících při nastavení kontrolérů v úkolu 2. Diskutujte získané výsledky. 5. Proměřte koncentrace atmosférických polutantů, které vznikají při následujících poměrech zemní plyn/vzduch v % otevření ventilu: 100/100, 90, 80, 70, 60, 50; 90/100, 90, 80, 70, 60, 50; 80/100, 90, 80, 70, 60, 50; 70/100, 90, 80, 70, 60, 50; 60/100, 90, 80, 70, 60, 50; 50/100, 90, 80, 70, 60, 50; 6. Proměřte teplotu spalin při následujících poměrech zemní plyn/vzduch v % otevření ventilu a určete při jakém poměru zemní plyn/vzduch je teplota spalin nejvyšší: 90/100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 65, 50;

Postup při řešení úkolů Úkol 1. Při výpočtu teoretického množství CO2 (v obj. %), které vzniká spalováním směsi zemní plyn/vzduch vytvořené při 100% otevření kontrolérů uvažujte následující podmínky a zjednodušení: • • • • • •

Maximální průtok kontrolérem na zemní plyn: 2 000 cm3∙min-1. Maximální průtok kontrolérem na vzduch: 20 000 cm3∙min-1. Obsah kyslíku ve vzduchu 21 obj. %. Obsah methanu v zemním plynu 98 obj. %. Všechny plyny jsou ideální a chovají se podle stavové rovnice ideálního plynu. Spalování probíhá v nadbytku O2, nevzniká tedy žádný CO a CH4 je spalován úplně.

Úkol 2. Při výpočtu pozice kontroléru na vzduch v %, při které vzniká směs zemní plyn/vzduch s teoretickým poměrem CH4/O2 potřebným pro dokonalé spalování methanu na CO2 a H2O, uvažujte následující: • • •

Maximální průtok kontrolérem na zemní plyn: 2 000 cm3∙min-1. Maximální průtok kontrolérem na vzduch: 20 000 cm3∙min-1. Kontrolér na zemní plyn je otevřen na 100%. 9


• • • •

Obsah kyslíku ve vzduchu 21 obj. %. Obsah methanu v zemním plynu 98 obj. %. Všechny plyny jsou ideální a chovají se podle stavové rovnice ideálního plynu. Uvažujte následující rovnici spalování methanu: 2

2

Postup zapojení laboratorní stanice: 1. Moduly analyzačního systému musí být před vlastním měřením vytemperovány na provozní teplotu. Proces temperování je zdlouhavý, u modulu Magnos trvá cca. 2 – 3 hodiny a je proto proveden před zahájením práce asistentem. V případě, že moduly nejsou vytemperovány, zobrazuje se na displeji ústřední jednotky nápis „temperature error“. 2. Provozní teploty cca. +3 °C musí dosáhnout i chladící jednotka Advance SCC. Dokud této teploty nedosáhne, nespustí se z bezpečnostních důvodů čerpadlo vzorku. Teplotu chladící jednotky lze sledovat na jejím čelním bargrafu. Pokud je teplota optimální svítí diody v prostřední zelené části bargrafu a je v provozu čerpadlo vzorku. 3. V případě, že aparatura před započetím práce nebyla temperována, je nutné řídit se následujícím postupem. Zkontrolujte, zda je napájecí kabel stanice zastrčen v zásuvce 230 V, pokud ne zasuňte jej do zásuvky. Stiskněte tlačítko ON na záložním zdroji UPS, dojde k současnému zapnutí analyzátorů a chladící jednotky. Vyčkejte na dosažení požadovaných provozních teplot aparatury. 4. Zapněte počítač stiskem tlačítka ON a zalogujte se. 5. Spusťte program LabVIEW 8.2 z plochy systému a stiskněte tlačítko run. Nastavte oba jezdce Gas a Air do polohy 100%. 6. Otevřete přívodní ventily vzduchu a zemního plynu, zapněte kompresor vzduchu a čerpadlo zemního plynu. 7. Odklopte čelní víko boxu s kontroléry a přepněte přepínač I/O do polohy I (zapnuto). Inicializuje se první zapalovací cyklus. Vzhledem k tomu, že směs zemní plyn/vzduch vykazuje dopravní zpoždění je nutné tlačítkem reset (označené tečkou) stisknutím opakovat zapalovací cyklus do doby než dojde k prvnímu zapálení (cca 2 – 3 zapalovací cykly). 8. Po zapálení plamene je možné odečítat hodnoty obj. % jednotlivých plynů na displeji ústřední jednotky, zároveň je možné odečítat z panelu zobrazovací jednotky CNi teplotu spalin. Ovládání aparatury: • •

•

Průtok zemního plynu a vzduchu lze ovlivňovat pomocí dvou jezdců Gas and Air v ovládacím software řídicího počítače. Informace o aktuálním průtoku obou plynů podávají dva displeje v tomtéž software, obě hodnoty jsou v % otevření ventilu. V případě zhasnutí plamene dojde k automatické inicializaci plamene. Pokud se zapálení nepodaří, dojde k uzavření bezpečnostního ventilu a na čelním panelu boxu s kontroléry se rozsvítí červená LED dioda. Nový cyklus zapalování je nutné provést tlačítkem reset (označeno tečkou) vedle diody. Čerpání vzorku do analyzátorů se vyznačuje dopravním zpožděním, po každém nastavení nového poměru zemní plyn/vzduch je nutné vyčkat cca 20 sekund na ustálení údajů na analyzátorech. 10


Pokyny k vypracování protokolu 1. Protokol musí splňovat formální náležitosti zadané na začátku laboratoří vedoucím laboratoří. 2. Do protokolu uveďte postup výpočtu a výsledky z úkolů 1 a 2. a diskutujte tyto výsledky s reálnými hodnotami naměřenými v úkolu 3 a 4. 3. Do protokolu vložte grafy závislosti koncentrace jednotlivých produktů spalné reakce (CO2, CO, CH4, O2) na koncentraci kyslíku v přiváděné směsi, jako parametr volte koncentraci methanu. Vyznačte koncentrace, ve kterých nedocházelo k hoření. Diskutujte získané výsledky. 4. Do protokolu vložte grafy závislosti teploty spalin na koncentraci kyslíku v přiváděné směsi. Vyznačte maximální teplotu a diskutujte naměřené hodnoty.

Použité zdroje informací [1] RWE: Zemní plyn a jeho druhy, on-line, http://www.rwe.cz/cs/zemni-plyn/zemni_plyn/ [2] Hartmann & Braun: Advance Optima - Modulární analyzační systém, návod k použití [3] T. Bartovský: Analyzátory emisí, VUSTE servis, Praha 1994 [4] Hartmann & Braun: Advance SCC, návod k obsluze

11

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Ústav fyziky a měřicí techniky

Recommend Documents