Stanovení vodní páry v odpadních plynech proudících potrubím

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší Technická 5, 166 28 Praha 6 Stanovení vodní páry v odpadních plynech proudících potrubím Semestrální projekt Vypracoval: Školitel: Veronika Sehnalová Ing. Viktor Tekáč, Ph.D. Praha, květen 2007

Souhrn Práce je zaměřena na porovnání různých metod měření vlhkosti spalin vznikajících při spalování zemního plynu v teplovodním kotli VIADRUS G27. Teoretická část obsahuje přehled hlavních metod měření obsahu vodní páry v proudících spalinách. V experimentální části bylo provedeno měření vlhkosti spalin normovanou referenční manuální gravimetrickou metodou založenou na sorpci vodní páry na silikagelu a na směsi silikagelu s molekulovým sítem. Současně bylo provedeno porovnávací měření několika on-line metodami. Znalost obsahu vodní páry v odpadních plynech je nutná například pro správné měření emisí znečišťujících látek.

Obsah 1 Úvod...2 2 Teoretická část...3 2.1 Základní pojmy...3 2.2 Klasifikace metod a jejich přehled...6 2.2.1 Psychrometrická metoda...6 2.2.2 Měření rosného bodu...7 2.2.3 Sorpční metody...8 2.2.3.1 Dilatační vlhkoměry...8 2.2.3.2 Odporové vlhkoměry...9 2.2.3.3 Kapacitní vlhkoměry...9 2.2.4 Rovnovážný elektrolytický vlhkoměr...9 2.2.5 Coulometrická metoda...10 2.2.6 Spektrální metody...10 2.2.7 Měření tepelné vodivosti...11 2.2.8 Stanovení vlhkosti při teplotách vyšších než 100 C...11 2.2.9 Normovaná referenční metoda...14 3 Cíl práce...16 4 Experimentální část...17 4.1 Manuální gravimetrická metoda...17 4.2 On-line metoda stanovení pomocí vysokoteplotního psychrometru Hygrophil H4220...18 4.3 On-line metoda měření pomocí elektrické sondy firmy TESTO...19 4.4 Výpočetní metoda založená na měření obsahu kyslíku ve spalinách pomocí přístroje TESTO 350 XL a známém složení odpadního plynu...19 5 Výsledky a diskuse...21 6 Závěr...23 7 Seznam použité literatury...24 1

1 Úvod Vlhkost je významným parametrem v řadě průmyslových a zemědělských odvětví. Ztráty způsobené nedostatkem nebo přebytkem vlhkosti dosahují ohromných částek ročně. Nemenší problém je také vliv vlhkosti na správnost měření složení plynů. Selektivní čidla jsou často velice výrazně ovlivňována byť i jen stopovým množstvím vodní páry obsažené v měřeném plynu. V praxi se rozlišuje celkem osm hlavních oblastí měření vlhkosti plynných směsí: a) sušárny b) meteorologie c) obytné místnosti d) mrazírny a sklady potravin e) technické plyny pro mikroelektroniku f) topné plyny,především zemní plyn g) radiosondy h) emise ze stacionárních zdrojů. Ve všech těchto případech je měřenou veličinou množství vody přítomné v plynné fázi (páry), která neobsahuje kapičky vody. 2

2 Teoretická část 2.1 Základní pojmy K vyjadřování vlhkosti plynů se v technické praxi používá mnoha veličin. Protože se technické názvy těchto veličin často liší od systematických fyzikálních a chemických názvů, je v dalších odstavcích uveden přehled nejčastějších pojmů. Základní veličinou pro vyjádření obsahu vodní páry je objemový zlomek vodní páry definovaný jako: V (H 2O) ϕ (H 2O) =, V kde φ (H 2 O) je objemový zlomek vodní páry ve vlhkém plynu (m 3 /m 3 ), V(H 2 O) je objem vodní páry obsažené v plynu (m 3 ), V je objem vlhkého plynu (m 3 ). Výhodou objemového zlomku je skutečnost, že v případě ideálního plynu je nezávislý na teplotě a tlaku plynu. Pro ideální plyn dále platí, že: n(h 2O) p(h 2O) ϕ (H 2 O) = =, n p kde n(h 2 O) je látkové množství vodní páry (mol), n je látkové množství vlhkého plynu (mol), p(h 2 O) je parciální tlak vodní páry (Pa), p je celkový tlak směsi plynů (Pa). Další bezrozměrnou veličinou používanou pro vyjádření vlhkosti plynu je hmotnostní zlomek vodní páry, který je vždy nezávislý na teplotě a tlaku: 3

w H m(h O) O) = m 2 ( 2, kde w (H 2 O) je hmotnostní zlomek vodní páry ve vlhkém plynu (kg/kg), m(h 2 O) je hmotnost vodní páry v plynu (kg), m je hmotnost vlhkého plynu (kg). Veličinou často používanou v praxi je hmotnostní koncentrace vodní páry, v meteorologii a vzduchotechnice nazývaná také jako absolutní vlhkost: m(h 2O) ρ (H 2O) =, V kde ρ (H 2 O) je hmotnostní koncentrace vodní páry ve vlhkém plynu (kg/m 3 ). Tato veličina je vždy (i pro ideální plyn) závislá na teplotě a tlaku. Experimentálně snadno dostupnou veličinou je fiktivní vlhkost, která se v meteorologii a vzduchotechnice nazývá také jako měrná vlhkost. Protože je závislá na teplotě a tlaku plynu, používá se často fiktivní vlhkost za normálních podmínek. Pro obě veličiny platí následující definiční rovnice: f m(h 2 O) m(h = a 2O) f N =, V VN kde f je fiktivní vlhkost plynu (kg/m 3 ), V je objem suchého plynu (m 3 ) f N je fiktivní vlhkost plynu za normálních podmínek (kg/m 3 ), V N je objem suchého plynu za normálních podmínek, tj. za teploty 273,15 K a tlaku 101,325 kpa (m 3 ). Další experimentálně snadno dostupnou veličinou je relativní vlhkost, která je definována jako poměr skutečné absolutní vlhkosti plynu a maximální dosažitelné absolutní vlhkosti při dané teplotě a tlaku. Maximální dosažitelná vlhkost odpovídá stavu nasycení plynu vodní párou. Relativní vlhkost lze tedy na základě její definice a výpočtových vztahů uvedených výše vyjádřit různými způsoby: 4

ρ r = ρ ( H2 O) p(h2o) w ( H = = 2 nas (H2O) pnas w nas O), kde r je relativní vlhkost plynu (-), ρ H O) je hmotnostní koncentrace vodní páry v plynu nasyceném vodní parou nas( 2 (kg/m 3 ), p nas je tlak syté vodní páry (Pa), w nas je hmotnostní zlomek vodní páry v plynu nasyceném vodní parou (kg/kg). Všechny uvedené veličiny odpovídající stavu nasycení je možné nalézt v různých tabulkách (například v normě EN 14790) a tlak syté vodní páry lze také spočítat pomocí Antoineovy rovnice udávající tenzi par na teplotě: p nas 6485,5 42,5789 3,8932log(273,15 + t) (H + 2O) = exp 273,15 t 0,0132505 (273,15 + t) + 9,2271 10 (273,15 + t) 6 2, kde t je teplota směsi plynů ( C). Rosný bod t rb [ C] je teplota, kterou získá vlhký plyn, je-li izobaricky ochlazen do úplného nasycení vzhledem k povrchu vody. Bod ojínění t o [ C] je teplota, kterou získá vlhký plyn, je-li izobaricky ochlazen do úplného nasycení vzhledem k povrchu ledu. 5

2.2 Klasifikace metod a jejich přehled Měřicí metody dělíme na absolutní, kdy zjišťujeme skutečný obsah vody po jejím odstranění ze vzorku, a relativní (nepřímé), kdy obsah vody zjišťujeme na základě měření jiné veličiny, jejíž hodnota s množstvím vody úzce souvisí. Přehled důležitých a rozšířených metod měření vlhkosti vzduchu: a) Psychrometrická metoda b) Metoda měření rosného bodu c) Sorpční metody d) Rovnovážný elektrolytický vlhkoměr e) Coulometrická metoda f) Absorpce IČ záření g) Absorpce vysokofrekvenční energie h) Chromatografické metody i) Měření tepelné vodivosti j) Měření sorpčního tepla k) Difúzní vlhkoměry 2.2.1 Psychrometrická metoda Je jednou z nejrozšířenějších metod měření vlhkosti vzduchu a na jejím základě pracuje mnoho moderních přístrojů, které jakoby samy měřily vlhkost vzduchu a na digitálním displeji přímo zobrazují danou veličinu. Vlhkost vzduchu se stanovuje na základě dvou teploměrů, z nichž jeden (mokrý teploměr) je smočený vodou a druhý (suchý teploměr) udává teplotu měřeného vzduchu. 6

Způsob zjištění vlhkosti je založen na měření tzv. mezního adiabatického ochlazení realizuje se jako ochlazení mokrého teploměru v proudu vzduchu. Ochlazení je závislé na rozdílu parciálního tlaku sytých par při teplotě, na které se ustálí mokrý teploměr, a parciálního tlaku vodních par v okolním vzduchu. Čím menší je relativní vlhkost, tím intenzivněji se ze smočeného teploměru odpařuje voda, a také tím větší je rozdíl mezi údaji obou teploměrů. Podle tohoto psychrometrického rozdílu se podle tabulek nebo podle normogramů určuje tlak vodní páry ve vzduchu a z něj relativní vlhkost. Při použití odporových teploměrů nebo termistorů lze psychrometr zapojit tak, aby stupnice přístroje udávala přímo procenta relativní vlhkosti. Výhoda psychrometrů spočívá v jejich jednoduchosti, naproti tomu nevýhodou je jejich citlivost, která s klesající teplotou poměrně rychle klesá. 2.2.2 Měření rosného bodu Podstatou této metody je stanovení teploty povrchu vody, při níž se ustanovuje dynamická rovnováha mezi množstvím vody vypařujícím se z tohoto povrchu a množstvím molekul vodní páry dopadajících na tento povrch z přilehlé vrstvy plynu. V rovnováze bude mít tuto teplotu vrstva plynu, která se přímo dotýká povrchu vody. Tím, že stanovíme teplotu, při které dochází k rovnováze, tj. teplotu rosného bodu, můžeme pomocí tabulek tenze vodní páry nad vodou stanovit parciální tlak vodní páry v plynu. Objektivního měření rosného bodu lze dosáhnout pouze u přístrojů pracujících automaticky. Nejčastěji se používá fotoelektrický detektor. Při této detekci je kovové zrcátko osvětlováno žárovkou pod určitým úhlem tak, aby odražený paprsek dopadal na fotočlánek. Jakmile se objeví kondenzát, reaguje fotočlánek poklesem napětí. Výhodou této metody je dostatečná přesnost měření i při nízkých teplotách a malé relativní vlhkosti, nevýhodou nutnost zařízení na ochlazování čidla. 7

2.2.3 Sorpční metody U těchto metod měření vlhkosti se využívá změny fyzikálně chemických vlastností různých materiálů, ke které dochází při změně množství adsorbované nebo absorbované vlhkosti. Požadavky kladené na čidla: a) odezva ve směru sorpce i desorpce má být rychlá, s nulovou nebo minimální hysterzí b) změna měřené veličiny musí být dostatečně velká a pokud možno lineárně závislá na relativní vlhkosti nebo rosném bodu c) kalibrační křivky mají být v běžných provozních podmínkách stálé a citlivá vrstva se má snadno čistit nebo regenerovat d) měření má být možné v širokém teplotním intervalu, vliv teploty na správnost přístroje má být zanedbatelný Vlhkost sorbovaná materiálem může působit změny objemu, hmotnosti, elektrického odporu, permitivity atd. Podle toho pak dělíme sorpční vlhkoměry na dilatační, odporové, kapacitní a polovodičové. 2.2.3.1 Dilatační vlhkoměry Měřícím principem je změna rozměru některých organických látek vlivem vlhkosti. Tyto látky absorbují vodu v závislosti na relativní vlhkosti okolního vzduchu a změnou obsahu vody dilatují. Dilatace se přenáší mechanismem na ukazatel. Používají se lidské vlasy, živočišné blány nebo syntetické organické látky. Nejběžnější je vlasový hygrometr používaný hlavně v přístrojích pro laiky (pokojový hygrometr) a v meteorologii (zapisovací hygrograf). Lidský odmaštěný vlas se prodlouží asi o 2,5% své délky při změně relativní vlhkosti z 0 na 100%. Závislost je nelineární, přibližně logaritmická. Nevýhodou je nutnost časté regenerace, která spočívá ve vystavení čidla po dobu několika hodin vysoké vlhkosti blížící se stavu nasycení. 8

2.2.3.2 Odporové vlhkoměry Tento typ vlhkoměrů měří množství sorbované vody na základě změny elektrického odporu. Vlastní čidlo, které měří změnu elektrického odporu je obvykle ve tvaru destičky opatřené elektrodami a na jejím povrchu je nanesen roztok iontové soli, nejčastěji LiCl. Odpor čidla se potom mění při změně relativní vlhkosti. Velikost odporu je kromě toho také závislá na teplotě. Proto je třeba ji měřit a zavádět příslušné korekce. Závislost odporu na relativní vlhkosti je přibližně lineární. Čidla odporových vlhkoměrů pracují uspokojivě v inertní atmosféře a v přítomnosti par uhlovodíků, naproti tomu jsou nepoužitelná v prostředí iontových solí a v prostředí par kyselin nebo amoniaku. Tato čidla jsou odolná vůči znečištění a jsou spolehlivá v provozu, navíc je snadná jejich automatizace. 2.2.3.3 Kapacitní vlhkoměry Tyto vlhkoměry jsou stavěny na principu kondenzátoru s dielektrikem z polymeru, který má hygroskopické vlastnosti. Čidlo dále obsahuje dvě elektrody. Jednu tvoří hliník a druhou vrstvička zlata nanesená na oxid hlinitý. Vrstvička zlata je tak tenká, že propouští molekuly vodní páry, které se sorbují na vnitřních stěnách pórů dielektrika. Polymer mění své dielektrické vlastnosti, tím se mění i kapacita kondenzátoru, ze které se vyhodnotí vlhkost. Měření kapacity je složitější než měření odporu, ale má několik výhod, kvůli kterým se kapacitní čidla rozšířila. Je to především jejich mimořádná citlivost, menší vliv znečištění na kapacitu než na odpor a v neposlední řadě také možnost měřit vlhkost i u kapalin. 2.2.4 Rovnovážný elektrolytický vlhkoměr Vlhkost obsažená ve vzorku plynu se absorbuje ve speciálním roztoku, kde reaguje s elektrolyticky vylučovaným činidlem. Prošlý elektrický náboj je úměrný absolutní vlhkosti vzorku vzduchu. Přepočet lze provést při použití známých fyzikálních konstant. Elektrolytický vlhkoměr se vyznačuje zejména dlouhodobou stabilitou. 9

2.2.5 Coulometrická metoda U těchto typů vlhkoměrů je vlhkost obsažená v měřeném plynu pohlcena filmem hygroskopické látky a pohlcená vlhkost je současně elektrolyzována stejnosměrným proudem. Jako hygroskopická látka je nejčastěji používán oxid fosforečný. V čidle probíhají tyto reakce: P 2 O 5 + H 2 O HPO 3, 2HPO 3 H 2 +1/2 O 2 + P 2 O 5. Film oxidu fosforečného je takto udržován neustále téměř suchý a je proto schopen poutat další vlhkost. Podle Faradayova zákona je třeba pro elektrolýzu 1 molu vody zapotřebí náboje 1,93.10 5 Coulombu. Proud potřebný k elektrolýze pohlcené vlhkosti je tedy přímo úměrný vlhkosti plynu. Vlhkoměry tohoto typu jsou vhodné především pro měření velmi malých vlhkostí (< 0,1 %). Vliv teploty na výslednou chybu je značný, neboť difúze je jev silně teplotně závislý. Měřený plyn navíc nesmí samozřejmě reagovat s oxidem fosforečným ani na něm polymerovat. 2.2.6 Spektrální metody Vodní pára sorbuje záření v mnoha částech spektra. Pro praktické využití této vlastnosti vodní páry jsou nejdůležitější absorpční pásma molekul vody v infračervené a ultrafialové oblasti. Zeslabení hustoty světelného toku prostupujícího homogenním prostředím závisí na počtu absorbujících částic s nimiž se světelný tok setkává a na jejich povaze. Zeslabení tedy závisí na tloušťce vrstvy absorbující látky, na její koncentraci, dále na teplotě a na vlnové délce záření. Kvantitativně vyjadřuje závislost zeslabení na uvedených faktorech Lambertův- Beerův zákon: -di = k.i.c.dl kde di je úbytek hustoty světelného toku, k je konstanta úměrnosti, 10

I je hustota světelného toku, c je koncentrace vodní páry, dl je tloušťka vrstvy plynu. Po integraci: -ln(i/i 0 ) = k.c.l kde I 0 je hustota světelného toku na vstupu, log(i/i 0 ) = A je absorbance. Citlivost měření vlhkosti plynu na základě absorpce infračerveného záření s rostoucí koncentrací vodní páry klesá. Analyzátory jsou pro svou selektivitu velice výhodné a používají se většinou v případech, kdy selhávají ostatní metody. Výstupní signál je úměrný absolutní vlhkosti a předností je velmi krátká doba odezvy. 2.2.7 Měření tepelné vodivosti Tato metoda využívá závislost tepelné vodivosti vzduchu na jeho vlhkosti. Senzor vlhkoměru obsahuje dva stejné termistory, z nichž jeden je hermeticky uzavřen v suchém dusíku a druhý je přístupný okolnímu prostředí. Průchodem proudu se termistory zahřívají a dosažená teplota závisí na stupni jejich ochlazování, tj. na tepelné vodivosti okolního plynu. Senzor poskytuje signál úměrný absolutní vlhkosti. Jeho přednostmi jsou schopnost pracovat při vysokých teplotách (až 200 C) a chemická odolnost. 2.2.8 Stanovení vlhkosti při teplotách vyšších než 100 C Pro kontinuální stanovení vodní páry v různých směsích plynů při teplotách nad 100 C lze prakticky použít jediný přístroj, tzv. vysokoteplotní psychrometr firmy Ultrakust (nyní Bartec, SRN). Princip tohoto přístroje spočívá v měření tepelného efektu spojeného s vypařováním vody do proudu vlhkého plynu (spalin). Celkové uspořádání přístroje je uvedeno na obrázku 1, schéma měřicí cely na obrázku 2. 11

Obrázek 1: Schéma přístroje Hygrophil H4220 Legenda: 1- vyhřívaná hadice, 2- zásobník vody, 3 - měřicí cela, 4- senzor výšky vodní hladiny, 5- záchyt kondenzované vody, 6- elektronická vyhodnocovací jednotka, 7- vodní čerpadlo, 8 elektrické rozhraní, 9 připojení stlačeného vzduchu, 10 ejektor, 11 výstup plynu, 12 jednotka úpravy vstupního stlačeného vzduchu 12

Obrázek 2: Schéma měřicí cely přístroje Hygrophil H4220 Legenda: viz následující text Analyzovaný plyn (1) zbavený hrubých prachových částic prochází filtrem, který zachycuje částice nejmenších průměrů, do trubice vyhřívané topnou spirálou, která udržuje analyzovaný plyn na takové teplotě, aby nedocházelo ke kondenzaci vodní páry. Po stabilizaci rychlosti proudění Venturiho trubicí (2) proudí do teploměrné komory, kde je umístěn 13

"suchý" platinový teploměr (3). Odtud směřuje do měřicí komory, v níž je umístěn keramický válec (4) naplněný vodou. Hladina vody ve válci je udržována na konstantní výšce kontrolované fotobuňkou. Laminární proud plynu o definovaném průtoku, statickém tlaku a teplotě v této komoře definovaným způsobem proudí nad hladinu vody. Odpařování této vody z hladiny způsobuje v závislosti na obsahu vodní páry v měřeném plynu snížení teploty vody ve válci. Tato teplota je snímána "vlhkým" platinovým teploměrem (5). Rozdíl teplot obou termočlánků je společně s hodnotou statického tlaku a průtoku vzorkovaného plynu vyhodnocován v procesoru. Voda dodávaná čerpadlem ze zásobní nádoby (6) se přelévá do odtokových kanálků, kterými rovněž odchází měřený plyn. Průtok analyzovaného plynu je řízen výkonem kompresoru, který dodává potřebné množství vzduchu do plynové vývěvy (7). 2.2.9 Normovaná referenční metoda Evropská norma ČSN EN 14790 uvádí normovanou referenční metodu stanovení obsahu vodní páry v plynu proudícím komíny a potrubím. Uvedená metoda je určena pro odpadní plyny prosté kapiček. Norma je založena na předpokladu, že složky plynu jsou více či méně v adiabatické (termodynamické) rovnováze. Za těchto podmínek dochází ke vzniku kapiček pouze v případě, kdy je proudící plyn nasycen vodní parou. Jestliže plyn kapičky neobsahuje, pokládá se za plyn nenasycený vodní parou. Vzorek plynu se z komína nebo potrubí odebírá konstantním průtokem. Vodní pára obsažená v tomto vzorku se zachycuje adsorpcí nebo kondenzací spojenou s adsorpcí a obsah vody se stanoví gravimetricky jako přírůstek hmotnosti celé adsorpční či kondenzační jednotky. Z proudícího plynu se do záchytného zařízení splňujícího požadovanou účinnost odebere změřený objem vzorku plynu. Při výpočtu hmotnostní koncentrace vodní páry se určí přírůstek hmotnosti záchytného zařízení a vydělí se objemem vzorku. Tato metoda založená na jednoduchém principu, kdy se přímo měří hmotnost zachycené vody, slouží jako tzv. rozhodčí metoda při posuzování přesnosti ostatních metod. Na základě ní jsou cejchovány ostatní přístroje měřící vlhkost plynů. Přes celkovou jednoduchost metody a vlastního zařízení je třeba pečlivě dodržovat postup uvedený v normě. Experimentální uspořádání vzorkovací aparatury záleží na vlhkosti plynu. Při vysoké vlhkosti a vysoké teplotě plynu je třeba použít dvoustupňového záchytu, při běžných vlhkostech postačuje jednostupňové adsorpční zařízení. Příklady obou typů vzorkovacích zařízení jsou uvedeny na obrázku 3 a 4. 14

1-vyhřívané potrubí, 2-vyhřívaný filtr (interní nebo externí filtrace), 3-promývačky nebo absorbéry, 4-chladicí lázeň (podle potřeby), 5-pouzdro se sorbentem, 6-čerpadlo, 7- průtokoměr, 8-plynoměr, 9-měření teploty a tlaku Poznámka: Je-li tlaková ztráta v plynoměru menší než 100 Pa, rovná se absolutní tlak plynu v plynoměru tlaku barometrickému. Obrázek 3: Dvoustupňový kondenzačně-adsorpční záchytný systém 1-vyhřívané potrubí, 2- vyhřívaný filtr (interní nebo externí filtrace), 3- pouzdro se sorbentem, 4-čerpadlo, 5-průtokoměr, 6-měření teploty a tlaku, 7-plynoměr Obrázek 4: Jednostupňový adsorpční záchytný systém 15

3 Cíl práce Cílem semestrálního projektu bylo při souběžném měření obsahu vodní páry ve spalinách teplovodního kotle různými metodami vyhodnotit správnost a vhodnost jednotlivých typů měření. Zejména šlo o porovnání on-line vlhkoměrů s normovanou manuální gravimetrickou metodou. 16

4 Experimentální část Hlavní náplní práce bylo porovnání vybraných metod měření vlhkosti spalin. Zdrojem spalin byl teplovodní kotel VIADRUS G27 o jmenovitém výkonu 27 kw spalující zemní plyn. Odběr spalin pro stanovení vlhkosti byl prováděn za přerušovačem tahu. Mezi vybranými byla i adsorpční metoda, uváděná v ČSN EN 14790 jako normovaná referenční metoda, která je používána jako rozhodčí při kalibraci vlhkoměrů a při posuzování správnosti a přesnosti naměřených údajů jinými metodami. S přihlédnutím k nejistotám a v nich obsažených nepřesnostem, které se mohly během měření vyskytnout, lze tedy vyhodnotit ostatní zkoumané metody a rozhodnout o jejich přesnosti. Pro zachování shodných podmínek se měřilo všemi metodami zároveň. Čidla měřících přístrojů a vyústění odtahů spalin byla umístěna v rámci možností ve stejné vzorkovací rovině a to tak, aby pokud možno nedocházelo ke vzájemnému ovlivňování. Metody použité k měření vlhkosti spalin: - manuální gravimetrická metoda spočívající v záchytu na silikagelu či směsi silikagelu s molekulovým sítem, tj. zmíněná adsorpční metoda dle ČSN EN 14790 - on-line metoda pomocí vysokoteplotního psychrometru Ultrakust - on-line metoda pomocí elektrické sondy firmy TESTO - výpočetní metoda založená na měření obsahu kyslíku ve spalinách pomocí přístroje TESTO 350 XL a na známém složení odpadního plynu 4.1 Manuální gravimetrická metoda Jde o metodu založenou na jednoduchém principu zachycení vodní páry na sorbent. Z rozdílu hmotností celé záchytné jednotky a změřeného objemu suchého plynu pak určíme fiktivní vlhkost, ze které dále vypočítáme objemový zlomek vodní páry v odpadním plynu. Jedná se o jednorázové měření, při kterém je nutno po nasycení sorbentu měření přerušit a sorpční jednotku vyměnit. Měření je nutné několikrát opakovat pro vyloučení možných chyb. 17

Z komína byl řízeným průtokem odebrán známý objem reprezentativního vzorku plynu. Tento objem musí dosahovat určité minimální hodnoty v závislosti na celkové hmotnosti sorpční jednotky. Při příliš malém objemu odebraného plynu by hmotnost zachycené vodní páry byla natolik malá, že by rozdíl v hmotnostech sorpční jednotky před a po zachycení vodní páry byl zatížen příliš velkou chybou způsobenou malou citlivostí vah. Z předepsané měřící sady byl vynechán filtr na odlučování pevných částic. Možnost jejich vzniku je minimální vzhledem k použití zemního plynu jako paliva. Odpadní plyn byl z komína veden přímo do záchytného zařízení. Vzorkovací zařízení zařazené před záchytný modul je temperováno a nesmí reagovat s vodní parou. Pro odběr vzorku plynu bylo použito plynotěsné čerpadlo, pro měření objemu odebraného plynu dva sériově zapojené plynoměry. Jako sorpční jednotka byl použit absorbér naplněný silikagelem nebo směsí silikagelu s molekulovým sítem, která se používá k sušení v plynárenských provozech. V průběhu měření byly v pravidelných intervalech zapisovány teploty a tlaky v plynoměrech. Pomocí nich byly změřené objemy odebraných suchých spalin přepočteny stavovou rovnicí ideálního plynu na normální podmínky (tj. 273,15K; 101,325kPa). Dále vypočtené hodnoty fiktivní vlhkosti byly přepočteny na objemový zlomek vodní páry ve vlhkých spalinách pomocí rovnice: fn R T ϕ (H N 2O) =, f R T + M ( H O) p N N 2 N kde φ (H 2 O) je objemový zlomek vodní páry ve vlhkém plynu (m 3 /m 3 ), M(H 2 O) je molární hmotnost vody (18,01 g/mol) f N je fiktivní vlhkost R je universální plynová konstanta 4.2 On-line metoda stanovení pomocí vysokoteplotního psychrometru Hygrophil H4220 Jedná se o metodu, která umožňuje po úvodním nastavení údajů a určité době záběhu (cca 10min) přímo odečítat z displeje průběžně měřené hodnoty vlhkosti spalin a ostatních parametrů. Popis přístroje je uveden v teoretické části textu. Přístroj byl nastaven na režim měření objemového zlomku. Naměřené hodnoty byly ukládány v půlminutových intervalech do paměti připojeného dataloggeru Airflow AM2. 18

4.3 On-line metoda měření pomocí elektrické sondy firmy TESTO Elektrické čidlo pracující pravděpodobně na vodivostně-kapacitním principu měří relativní vlhkost plynu a na displeji přímo ukazuje měřené hodnoty. Hodnoty relativní vlhkosti lze současně ukládat do paměti přístroje ve zvolených intervalech. Přepočet na objemový zlomek vodní páry ve vlhkém plynu byl proveden podle rovnice: ϕ (H O) = 2 rh p p nas atm (H 2 O) kde φ (H 2 O) je objemový zlomek vodní páry ve vlhkém plynu (m 3 /m 3 ) p nas (H 2 O) je parciální tlak vypočítaný Antoineovou rovnicí (Pa) p atm je tlak okolí (Pa) rh je relativní vlhkost hodnota měřená přístrojem TESTO (%) 4.4 Výpočetní metoda založená na měření obsahu kyslíku ve spalinách pomocí přístroje TESTO 350 XL a známém složení odpadního plynu Přístroj TESTO 350 XL vedle kontinuálního měření obsahu vlhkosti vzduchu měří také obsah kyslíku a oxidu uhelnatého ve spalinách. Vzhledem k tomu, že bylo použito palivo o známém složení (zemní plyn), je možno ze složení spalin a také z vlhkosti spalovaného vzduchu vypočítat objemový zlomek vodní páry. Výpočet byl proveden na základě příkladu vypočteného na cvičení z předmětu Použití plynu I. 19

Obrázek 5: Celkový pohled na měřicí stanoviště 20

5 Výsledky a diskuse Na správný výpočet vlhkosti spalin má vliv i vlhkost spalovaného vzduchu. Průměrné atmosférické podmínky v době hlavního měření jsou uvedeny v tabulce I. Tabulka I: Průměrné atmosférické podmínky v době srovnávacího měření Teplota spalovacího vzduchu [ C] Atmosférický tlak [kpa] Relativní vlhkost [%] 16,4 98,8 45 Dále uvedené výsledky nezahrnují on-line měření pomocí elektrické sondy TESTO. Po vyhodnocení konečných údajů bylo zjištěno, že sonda měřila chybně již od počátku pokusu. K jejímu poškození došlo patrně při předchozím měření. Změřené a vypočtené průměrné hodnoty objemových zlomků vodní páry jsou shrnuty v tabulce II. Tabulka II : Průměrné hodnoty objemového zlomku vodní páry Měřicí metoda ϕ ( H 2O) [%] Gravimetrická podle ČSN EN 14790-1. série odběrů 7,69 Gravimetrická podle ČSN EN 14790-2. série odběrů 7,24 Gravimetrická podle ČSN EN 14790-3. série odběrů 7,67 Gravimetrická podle ČSN EN 14790 celkový průměr 7,53 On-line metoda stanovení přístrojem Hygrophil H4220 7,10 On-line měření obsahu kyslíku a výpočet 6,17 21

Výsledky měření ukazují, že hodnoty prakticky shodné s manuální gravimetrickou metodou záchytu vodní páry na silikagelu dává pouze přímé měření objemového zlomku přístrojem Hygrophil H4220. Výsledky výpočtové metody na základě měření obsahu kyslíku jsou nepatrně nižší. Zde lze přepokládat vznik chyb zaokrouhlováním při výpočtu a nepřesné měření obsahu kyslíku ve spalinách přístrojem TESTO 350 XL. I když lze předpokládat vznik chyb také při měření gravimetrickou metodou, ať už z důvodu jakýchkoliv nepřesností způsobených menší praxí experimentátora, možným ovlivněním přesnosti měřících přístrojů nebo drobným ovlivněním pevnými částicemi díky vynechání filtru, lze hodnoty z těchto měření považovat za správné a na jejich základě rozhodnout o případné opravě (respektive překalibrování) přístrojů. 22

6 Závěr V práci bylo dosaženo všech cílů určených zadáním semestrálního projektu. Porovnáním výsledků experimentálních metod stanovení vodní páry ve spalinách plynového kotle s výsledky souběžně prováděné referenční manuální gravimetrické metody byly určeny praktické meze použitelnosti testovaných metod. Jako nejméně spolehlivé se ukázalo měření vlhkosti spalin pomocí jednoduchých elektrických vlhkostních sond (v daném případě TESTO), které jsou velmi náchylné na pečlivé zacházení. Velmi dobré výsledky vykazuje vysokoteplotní psychrometr Hygrophil H4220. V případě spalování zemního plynu v zařízení s nízkými emisemi CO poskytuje uspokojivé výsledky také výpočet ze známého obsahu kyslíku ve spalinách. 23

7 Seznam použité literatury 1. Skácel F., Tekáč V.: Analýza ovzduší, VŠCHT Praha, 2002 2. ČSN EN 14790 Stacionární zdroje emisí Stanovení vodní páry v potrubí, ČNI, leden 2006 3. Miloslav Pohanka: Porovnání vybraných metod měření vlhkosti spalin. Bakalářská práce, VŠCHT Praha, 2006. 24