STANOVENÍ KONCENTRACE PLYNNÝCH ŠKODLIVIN NA VÝSTUPU ZE SPALOVACÍCH ZAŘÍZENÍ 1. ÚVOD V dnešní době, kdy stále narůstá množství energií a počet technologií potřebných k udržení životního standardu současné společnosti se stále intenzivněji musíme zajímat také o co nejefektivnější výrobu tepla a elektrické energie. Vědní obory jako ekologie, energetika a ekonomika jsou v současnosti pojmy, skloňované ve všech pádech a úzce spolu související. Každá naše činnost spojená s uvedenými pojmy by měla vést ke zlepšení stavu životního prostředí, ekonomické prosperitě a k zajištění trvale udržitelného rozvoje společnosti. V naší republice stále převládá způsob získávání elektrické energie její přeměnou z energie tepelné, uvolněné při spalování fosilních paliv a primárním zdrojem energie je hnědé uhlí, které se podílí na výrobě elektrické energie cca 60%. Spalování fosilních paliv ale představuje hlavní zdroj energie ve většině průmyslových zemí a má za následek tvorbu škodlivin a jejich vypouštění do ovzduší. S tímto procesem musí být nutně spojena legislativní opatření, která si kladou za cíl dosáhnout únosného zatížení území, při kterém ještě nedochází k poškození ekologické stability. V současně platné legislativě České republiky, týkající se ochrany ovzduší je zakotvena řada pojmů, týkajících se spalovacích zařízení, které mají za následek jasnou definici zdrojů znečišťování a minimalizaci škodlivin (spalovací stacionární zdroj, spalování, znečišťující látka, emise, emisní limit, atd.). Při provozu spalovacích zařízení vzniká celá řada škodlivin, které jsou ze zdrojů znečišťování odváděny do ovzduší a mají nepříznivý dopad na kvalitu životního prostředí. 2. OPTIMALIZACE SPALOVÁNÍ Ke správnému vedení spalovacího procesu a k dosažení co nejvyšší účinnosti spalování a tím i k minimalizaci škodlivin jako produktů nedokonalého spalování je nutné zajistit čtyři základní podmínky:
1) čas na reakčních rychlostech závisí potřebná doba setrvání částice v ohništi, která zajistí dokonalé vyhoření paliva. Zásadním způsobem ovlivňuje velikost ohniště, rychlost přívodu paliva a vzduchu atd., 2) teplota dostatečná teplota je důležitá pro dokonalé vyhoření všech spalitelných složek a je ovlivňována velikostí spalovacího prostoru a tepelným obsahem paliva, 3) turbulence je předpokladem dokonalého promísení paliva a vzduchu, hospodárného spalování, vyhoření tuhého uhlíku a prchavé hořlaviny, minimalizace vzniku tmavého kouře při spalování, 4) koncentrace O 2 kyslík společně s předešlými 3 podmínkami uzavírá jako oxidační činidlo souhrn základních podmínek nutných k dokonalému spalování. Zejména pro vyhoření tuhého uhlíku je potřeba dostatečného přebytku kyslíku. 5) Dokonalá optimalizace spalování s ohledem na minimalizaci škodlivin vyžaduje měření emisí znečišťujících látek vznikajících při spalování paliv. Je zřejmé, že velikosti spalovacích zařízení jsou různé, od lokálních topenišť až po elektrárenské kotle a že, vzhledem k cenám přístrojové techniky, nemohou být měřeny emise veškerých druhů znečišťujících látek u všech druhů spalovacích zařízení. Proto je důležité znát, které regulační zásahy ovlivňují množství vznikajících škodlivin a ty umět vhodně kombinovat. V Tabulce 1 jsou sestaveny vybrané regulační faktory a jejich vliv na velikost měrné emise (emise vztažená na vyrobené teplo) a vyplývá z ní, že nejvýznamnějším regulačním opatřením pro minimalizaci vznikajících škodlivin je dosažení co nejvyšší účinnosti spalovacího procesu, což zdůrazňuje i nutnost sledování tmavosti kouře, která je zejména u malých spalovacích zdrojů prakticky nejdůležitějším indikátorem dokonalosti spalovacího procesu.
Tab.1: Vliv regulace spalování na množství emisí Nárůst regulačních faktorů Změna velikosti měrné emise TZL SO 2 NO x CO Zatížení % + + + + Rychlost spalin + n n n Velikost částic - n n n Hustota částic - n n n Obsah popelovin + - n n Zrnitost uhlí - n n n Prachový podíl + n n + Výhřevnost paliva - - n n Účinnost spalování - n - - Přebytek vzduchu + + + - Obsah CO v komíně + - - + Teplota plamene - + + n Teplota v komíně - + n n Obsah síry v palivu + + n n Recirkulace spalin + n - - Nánosy v topeništi + + + n + je nárůst měrné emise, - je pokles měrné emise, n nemá vliv, nebo není vliv jednoznačně prokázán 3. DIAGNOSTIKA SPALOVÁNÍ Jak bylo uvedeno výše, významnou úlohu při přeměně tepelné energie v energii elektrickou má účinnost spalovacích zařízení, jejíž velikost výrazně ovlivňuje množství spalin a obsah kyslíku ve spalinách. Problematika stanovení množství spalin a koncentrace škodlivin je samostatnou kapitolou při vyhodnocování účinnosti. Množství paliva je při spalování tuhých paliv nejobtížněji stanovitelný parametr a je zatížen největší chybou. Také prvkové složení hořlaviny spalovaného paliva pro výpočet vznikajícího množství spalin není v praxi známo s uspokojivou přesností. Nejvýhodnější je stanovit množství spalin měřením. Měření množství spalin a průměrné koncentrace škodlivin v kanálech velkých rozměrů patří k velmi komplikovaným a dodnes neexistuje zcela provozně spolehlivá metoda k jeho stanovení. Přednost by mělo proto mít stanovení měrného množství spalin určeného podrobným měřením rychlostního profilu v době topné zkoušky, vztaženého k vyrobenému teplu, které lze rovněž spolehlivě stanovit měřením.
Měřením také spolehlivě stanovíme množství kyslíku ve spalinách a koncentrace škodlivin. Tyto hodnoty jsou důležité jak pro stanovení množství spalin a tím pro stanovení velikosti komínové ztráty při výpočtu účinnosti, tak pro optimalizaci spalování z hlediska minimalizace množství vypouštěných škodlivin. Je ale potřeba stanovit skutečně reprezentativní hodnotu, odpovídající průměrnému složení spalin v kouřovém kanálu. 3.1 Analýza spalin stanovení průměrné koncentrace Z hlediska metodiky měření rozeznáváme několik možných variant stanovení průměrné koncentrace plynných škodlivin. Jejich výběr a použití závisí vždy na provozních podmínkách zařízení a na požadované přesnosti, která je dána účelem měření. Protože kouřové kanály a konce zadních tahů kotlů bývají velkých rozměrů a koncentrační profil není rovnoměrný, provádí se měření síťovou metodou a do výpočtů vstupují průměrné hodnoty měřených veličin. Rozmístění měřicích bodů po průřezu kanálu je prováděno na základě normy ČSN ISO 9096 Stanovení hmotnostní koncentrace a hmotnostního toku tuhých částic v potrubí, která stanovuje minimální počty měřicích bodů pro potrubí s kruhovým i čtyřhranným průřezem. Na obrázku 1 je uveden příklad umístění možných měřicích profilů na kotlích výkonu cca 180 MW. Rozměry těchto kouřových kanálů jsou, vzhledem k výkonu zařízení, přiměřeně velké a měřicí místa jsou přístupná většinou pouze z vybudovaného lešení. V kouřovodech velkých rozměrů může být koncentrační pole kyslíku a ostatních plynných složek spalin značně nerovnoměrné, a tak analýza spalin odebíraných v jednom provozním bodě v průřezu kanálu nemůže odrážet skutečný stav. Vzhledem k možným netěsnostem u stěn kouřovodů, změnám rychlosti proudění spalin vlivem konstrukčního uspořádaní kouřovodů a v neposlední řadě vzhledem ke změnám výkonu zařízení, je jediným možným řešením stanovení průměrné koncentrace škodlivin ve spalinách pouze kontinuální odběr vzorku spalin z více bodů (síťový odběr) po průřezu kouřovodu a jeho analýza v reálném čase.
Měření koncentrace před LUVO za LUVO za kotlem za OV LUVO Obr. 1: Příklad měřicích profilů na kotlích větších výkonů 4. APARATURA PRO KONTINUÁLNÍ SÍŤOVOU ANALÝZU SPALIN Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem je bezpodmínečně potřeba věnovat problematice získávání on-line informací ze spalovacího procesu cestou síťového měření velkou pozornost. Jedná se o oblast, která je doposud řešena pouze diskontinuálně, tj. postupným odběrem vzorků spalin ze zvolených měřicích bodů a jejich následnou analýzou. Pro diagnostická měření, ale i pro provozovatele spalovacích zdrojů je určitě přínosem aparatura, která zajistí objektivní kontinuální analýzu vybraných složek spalin v reálném čase. Využití této aparatury je opodstatněné především při diagnostických měřeních na kotlích větších výkonů, kde je využívána pro stanovení on-line a průměrné koncentrace vybraných plynných škodlivin v zadním tahu kotlů, ke stanovení účinnosti zařízení, těsnosti zadních tahů atd.. Aparatura je tedy koncipována jako přenosná (přepravitelná) a předpokládá se její stabilní obsluha a údržba v době měření. Po experimentálním (poloprovozním) odzkoušení a optimalizaci jednotlivých problémových stavů je možno počítat s provozním nasazením na konkrétní zařízení a kontinuálním způsobem užívání. Výsledné hodnoty koncentrací (pozornost bude zaměřena zejména na koncentrace O 2, CO) jsou pro provozovatele kotlů cennou informací, na základě které mohou vést
a optimalizovat spalovací proces. Výběr sledovaných parametrů lze však rozšít připojením dalších analyzátorů, např. se může jednat o sledování koncentrací oxidů dusíku (NO x ), při další úpravě trasy ( temperování ) o měření koncentrace SO 2, TOC. 4.1 Popis aparatury pro kontinuální síťovou analýzu spalin Při sestavování aparatury pro kontinuální odběr vzorku spalin současně z několika měřicích bodů, je nutno počítat s následujícími okolnostmi: - celá aparatura je koncipována jako přenosná, mobilní, - odběrová sonda je univerzálně nastavitelná pro různý počet bodů na jedné měřicí přímce, - rozměry sondy jsou konstrukčně omezeny rozměrem měřicích otvorů a používaným typem šroubení, - z konstrukčních důvodů při výrobě sondy a materiálových nákladů na vytápěné odběrové potrubí a moduly se zatím využívá aparatura do teploty spalin 200 o C, - volba jednotlivých komponentů měřicí aparatury zajišťuje jejich jednoduchou údržbu, spojení jsou dokonale vzduchotěsná, - odběrový modul je limitován hmotností a rozměry, které umožní jeho přepravu. - Na obrázku 2 je uvedeno jednoduché schéma odběrové aparatury s popisem jednotlivých měřicích prvků. Pro tento systém uspořádání odběrové trasy byl proveden kompletní hydraulický výpočet v rozmezí rychlosti spalin 0 až 10m/s a bylo zvoleno vhodné čerpadlo, které zajistí dopravu potřebného množství spalin ze všech měřicích bodů. U každé sondy je možno nastavit čtyři měřicí body ve zvolených roztečích, pomocí posuvné kobylky a různé délky teflonového vedení. Příklad provedení sondy je uveden na obrázku 3.
Obr. 2: Schéma odběrové aparatury pro kontinuální síťovou analýzu Obr. 3: Schéma odběrové sondy 5. ZÁVĚR Článek předkládá možnost stanovení průměrné koncentrace plynných složek spalin na výstupu ze spalovacích zařízení pomocí aparatury pro kontinuální síťový odběr a analýzu vybraných složek, která je využívána zejména při diagnostickém měření spalovacích zdrojů, v kouřovodech velkých rozměrů. Provozní zkoušky s aparaturou potvrdily správnost
předpokladů volby použité měřicí techniky i výsledky výpočtů zaměřených na dimenzování odběrových tras a parametrů odsávacího čerpadla. Při zkouškách se potvrdilo, že s jednoduchou obsluhou je aparatura schopna podávat on-line výsledky o průměrné koncentraci plynné složky ve spalinách v kouřovodu a tyto ukládat a zpracovávat pomocí obslužného software v libovolně zvolených časových intervalech. Byla ověřena také možnost stanovení koncentrace v jednotlivých měřicích bodech, a to po jednoduché manipulaci s kontrolními rotametry. Tato informace je zajímavá z hlediska diagnostiky případných netěsností ve vzduchospalinovém traktu a výsledky získané pomocí aparatury slouží k lokalizaci míst s netěsnostmi. V současné době je aparatura evidována jako užitný vzor PUV 2010-22417 na ÚPV ČR.