22 831 25 21  22 831 42 56  merserwis@merserwis.pl

Spalanie i analiza spalin - Część 2

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

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 Si-CA120 (Źródło: Sauermann, materiały własne)

Mierzone i obliczane parametry:
  • Wydajność
  • Tlen
  • Temperatura otoczenia
  • Ciąg
  • True NOx (NO+NO2)
  • SO2
  • Prędkość spalin
  • CO2
  • Temperatura spalin
  • CO
  • Nadmiar powietrza
  • H2S
  • Węglowodory (CxHy)
  • Stężenie masowe

Przeprowadzenie analizy spalin


Dobór Analizatora Spalin

Przed rozpoczęciem pomiarów należy ustalić, który analizator spalin będzie odpowiedni do określonych zadań.

Przede wszystkim warto się upewnić, czy urządzenie posiada aktualne świadectwo wzorcowania oraz czy wykonuje pomiary zgodnie z obowiązującymi normami. Dlaczego świadectwo (wzorcowania) kalibracji jest ważne? Wynika to z faktu, że cele pomiarowe jak już zaznaczono są czujnikami elektrochemicznymi, w których zachodzą powolne reakcję, nawet jeśli przyrząd nie jest używany. Oznacza to, że analizator nowy, ale nieużywany od dłuższego czasu może przestać działań poprawnie.

Najtańsze analizatory dostępne na polskim rynku mierzą CO bez kompensacji H2, co oznacza, że nie spełniają wymagań normy PN-EN50379-2 i można je wykorzystywać jedynie do prostej analizy spalin podczas konserwacji kotłów zasilanych gazem.

Urządzenia wyższej klasy (np. wszystkie analizatory Sauermann - Kimo - E Instruments: E-500, E-1500, E-4500, Si-CA 120, Si-CA 220, Si-CA 320, KIGAZ 80, KIGAZ 110, KIGAZ 210, KIGAZ 310) mają zamontowane cele pomiarowe posiadające kompensację H2, co za tym idzie spełniają normę PN-EN50379-2 i mogą być używane przez instalatorów, serwisantów i inspektorów do analizy dowolnego kotła zasilanego dowolnym paliwem.

Do regulacji kotłów grzewczych najczęściej używane są analizatory, które mają standardowo zamontowane tylko dwie cele: do pomiaru O2 oraz CO. Określenie stężenia tych dwóch związków oraz temperatury jest wystarczające do obliczenia sprawności procesu spalania. Natomiast w przypadku gdy wymagana jest szczegółowa analiza emisji szkodliwych związków do atmosfery, należy zastosować analizatory (np. modele E-4500, Si-CO 220, SI-CA 320, KIGAZ 210, KIGAZ 310), które mają możliwość zamontowania dodatkowych cel pomiarowych do określenia stężenia: NO, NO2, SO2, CxHx i H2S.

Rys. 2.2. Analizatory E-4500 i E-500 (Źródło: Sauermann, materiały własne)

Dodatkowo przy wyborze analizatora warto zwrócić uwagę, czy miernik posiada następujące funkcjonalności, które powinny być standardem we współczesnych urządzeniach:
  • Pomiaru ciągu kominowego
  • Możliwość wydruku zmierzonych i obliczonych parametrów
  • Ochrona cel pomiarowych przed zbyt wysokimi stężeniami gazów, które mogą uszkodzić czujniki
  • Możliwość podłączenia zewnętrznych sond do pomiaru CO i CH4 w otoczeniu kotła
Konfiguracja analizatora

Aby wykonać poprawnie analizę spalin, bardzo ważne jest, aby wprowadzić do urządzenia pomiarowego charakterystyczne współczynniki (wartość opałową, stechiometryczne wartości CO2, etc.) paliwa wykorzystywanego w badanym procesie spalania. Na podstawie tych współczynników analizator wyznacza najważniejsze cechy procesu spalania: stężenie CO2, wydajność oraz nadmiar użytego powietrza.

Większość współczesnych analizatorów posiada fabrycznie wprowadzone charakterystyki najczęściej używanych paliw – warto jednak upewnić się, czy zapisane współczynniki rzeczywiście odpowiadają cechom zastosowanego paliwa.

Charakterystyczne współczynniki najczęściej używanych paliw

Paliwo A1 B CO2t (%) PCI (KJ/Kg) PCS (KJ/Kg) M air (Kg/Kg) M H2O (Kg/Kg) V dry gas (m3/Kg)
Gaz naturalny 0,0280 0,0090 11,70 50050 55550 17,17 2,250 11,94
Propan 0,0277 0,0073 13,70 45950 49950 15,61 1,638 11,11
Diesel 0,0305 0,0066 15,70 42900 45700 14,30 1,136 10,34
Drewno/Pellety 8% 0,0354 0,0071 19,01 18150 19750 6,02 0,660 4,58
Bagasse 0,0395 0,0219 20,45 6950 8834 2,50 0,779 1,93
Węgiel 0,0320 0,0000 18,60 31400 32300 10,70 0,370 8,14
Biogaz 0,0353 0,0091 17,33 17800 19800 6,08 0,830 4,55
Bio-Paliwo 5% 0,0305 0,0066 15,70 42600 45400 14,22 1,133 10,64
L.P.G. 0,0277 0,0073 13,80 45730 49650 15,52 1,602 11,03
Butan 0,0277 0,0073 14,00 45360 49150 15,38 1,548 10,99


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 oznacza, że warunki spalania są niewłaściwie lub kocioł jest nieszczelny i należy go natychmiast wyłączyć. Wybrane analizatory spalin Sauermann-Kimo umożliwiają pomiar gazów w otoczeniu za pomocą zewnętrznych sond – podłączanych do analizatora. Pomiary takie może 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. Większość współczesnych analizatorów ma 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.

W celu uniknięcia tak długich przestojów, droższe analizatory (np. model KIGAZ 210) posiadają specjalne zawory, które w przypadku przekroczenia zakresu, automatycznie zamykają dopływ spalin do celi pomiarowej CO, przy czym pompka zasysająca spaliny nie wyłącza się i analizę pozostałych parametrów można kontynuować.

Analizatory najwyższej klasy (np. modele Si-CA 220, Si-CA 320, E-4500, KIGAZ 310), posiadają funkcję rozcieńczania wysokiego stężenia tlenku węgla, co pozwala na automatyczne zwiększenie zakresu pomiarowego nawet do 10% objętości gazów (100 000 ppm). Jest to najlepsze i najwygodniejsze zabezpieczenie celi pomiarowej, bo umożliwia nieprzerwaną analizę spalin wszystkich parametrów przy występujących stężeniach CO nawet powyżej 8000 ppm.



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

Nowoczesne 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 Sauermann - Kimo:

OBLICZANA WARTOŚĆ OPIS
Nadmiar powietrza (λ) Określa ile razy ilość powietrza dostarczonego do procesu spalania jest większa od teoretycznie potrzebnej. Gdy wartość ta wynosi poniżej 1 występuje tak zwane bogate spalanie, co oznacza, że w spalinach znajdują się trujące związki, przede wszystkim CO (patrz rys 1.4 CZĘŚĆ I). Prawidłowa wartość nadmiaru powietrza powinna zawierać się mniej więcej w przedziale od 1.1 do 1.2 w zależności od typu badanego kotła. Gdy wartość ta jest wyższa od 1.3 wydajność zaczyna gwałtownie spadać - rosną starty energii.
Różnica temperatur ΔT (dT) Jest to różnica pomiędzy temperaturą spalin, a powietrzem dostarczanym do komory spalania. Wartość ta jest uwzględniana podczas obliczania kominowej straty ciepła. Im wartość ta jest mniejsza, tym straty są niższe.
Strata kominowa ciepła (Qs) Jest to procent straty kominowej ciepła. Wartość ta obliczana jest na podstawie różnicy temperatur oraz współczynników Siegerta (są to charakterystyczne współczynniki paliwa wprowadzone do analizatora).
Sprawność energetyczna (ηs) Sprawność kotła obliczona jako stosunek konwencjonalnej mocy grzewczej do mocy grzewczej palnika. Spośród strat spalania brane jest pod uwagę tylko ciepło jawne tracone przez gazy spalinowe. Straty promieniowania i niepełne straty spalania nie są uwzględniane. Wartość tej sprawności odnosi się do wartości opałowej paliwa i nie może przekraczać 100%. Sprawność energetyczną należy porównać z minimalną sprawnością podaną dla danego systemu grzewczego.
Sprawność kondensacji (ηc) Występuje w nowoczesnych kotłach kondensacyjnych. Jest to energia odzyskana z pary wodnej zawartej w spalinach w odniesieniu do wartości opałowej paliwa
Całkowita sprawność (ηt = ηs + ηc) Suma sprawności energetycznej i kondensacji. Wartość ta może przekraczać 100% (producenci kotłów kondensacyjnych często określają ją nawet na poziomie ok. 110%) i odnosi się do wartości opałowej paliwa. Nie jest to oczywiście rzeczywista sprawność kotła (fizycznie niemożliwe jest osiągnięcie sprawności ponad 100-procentowej). Wartość całkowitej sprawności powyżej 100% wynika z tego, że tradycyjna wydajność starych kotłów dotyczyła tylko energii zawartej w paliwie - nie uwzględniała energii pary wodnej dostarczonej z paliwem.

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.

Rys. 2.6. Analizator KIGAZ310 z wbudowaną drukarką (źródło: Sauermann, materiały własne)

Konserwacja analizatora spalin

Większość analizatorów spalin posiada czujniki elektrochemiczne (cele pomiarowe), które posiadają ograniczoną żywotność, 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 po 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.

---

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

 

 

dotpay

Szczególnie polecamy

Z naszej oferty szczególnie polecamy aparaturę do pomiaru jakości energii elektrycznej: analizatory jakości energii i zasilania oraz analizatory parametrów sieci

Przyrządy wykorzystywane w laboratoriach i warsztatach: autotransformatory jednofazowe i trójfazowe, rezystory i oporniki suwakowe, oscyloskopy, zasilacze

Aparaturę dla branży energetycznej: przekładniki prądowe, kondensatory, systemy oceny efektywności energetycznej

Aparaturę do automatyki i kontroli: regulatory temperatury, wskaźniki tablicowe, rejestratory temperatury, termometry ostrzowe i inne...

Dystrybucja

Firma Merserwis jest bezpośrednim dystrybutorem w Polsce firm: Metrel, Sauermann-Kimo, Presys, Audio Precision, GW Instek, Graphtec, Hanyoung, Lascar Electronics, Meatest, DeltaOhm.

Jesteśmy również krajowym dystrybutorem firm: Sonel, Lumel, Czaki Thermoproduct, RelPol, Tanel, Budenberg i wielu innych...

Zapewniamy doradztwo, szkolenia, prezentacje oraz wzorcowanie mierników i serwis gwarancyjny oraz pogwarancyjny.

Dane kontaktowe

Merserwis Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k.
ul. Gen. Wł. Andersa 10
00-201 Warszawa, Polska
NIP: 5260058571

Kontakt
Tel: 22 831 25 21, 22 831 42 56
Fax: 22 887 08 52
E-Mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Godziny pracy
Dział Handlowy: Pon.-Pt. 8:00-16:00
Serwis Aparatury: Pon.-Pt. 8:00-16:00
Laboratorium Badawczo-Wzorcujące: Pon.-Pt. 8:00-16:00