Analiza spalin jest kluczowa dla kontroli i optymalizacji kotłów grzewczych. W warunkach poza laboratorium, tylko w ten sposób można zapewnić efektywne spalanie, minimalizując jednocześnie emisję szkodliwych substancji.
W tym artykule omówiono podstawowe zasady wyboru odpowiedniego urządzenia do analizy spalin oraz metodę przeprowadzenia takiej analizy, ilustrując to przykładami produktów firmy KANE z Wielkiej Brytanii. Przedstawione zasady są uniwersalne i dotyczą również analizatorów spalin innych producentów, takich jak SAUERMANN, dostępnych na polskim rynku.
Co to jest analiza spalin?
Analiza spalania obejmuje pomiar temperatury, stężenia gazów, ciśnienia ciągu oraz poziomów sadzy. Aby to zrobić, do kanału spalinowego wprowadza się sondę, która pobiera próbkę spalin do analizy. Ciąg oblicza się, mierząc różnicę między ciśnieniem gazów w kanale a ciśnieniem zewnętrznym. Poziom sadzy określa się wizualnie, porównując zabarwienie próbki na specjalnym filtrze z wzorcem.
Analizatory spalin
Wszystkie analizatory spalin działają na podobnej zasadzie. Urządzenie zasysa próbkę spalin za pomocą wbudowanej pompki, która następnie trafia do wewnętrznych cel pomiarowych. Są to głównie czujniki elektrochemiczne, które na podstawie reakcji chemicznych określają stężenie gazów. Zmierzone dane służą do obliczania sprawności kotła i wydajności spalania.
Rys. 2.1. Analizator spalin Kane 458s
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 ważne jest wybranie odpowiedniego analizatora spalin. Należy uwzględnić następujące cechy/elementy wyposażenia urządzenia:
1. Świadectwo wzorcowania
Przed przeprowadzeniem analizy spalin należy sprawdzić, czy urządzenie ma aktualne świadectwo wzorcowania. Jest to kluczowe, ponieważ cele pomiarowe zawierają czujniki elektrochemiczne, w których zachodzą powolne reakcje, nawet gdy analizator nie jest używany. Dlatego urządzenie nieużywane przez dłuższy czas i nieregularnie wzorcowane może przestać działać poprawnie.
2. Normy
Po wybraniu odpowiedniego analizatora należy upewnić się, że urządzenie wykonuje pomiary zgodnie z obowiązującymi normami. Analizatory mierzące CO bez kompensacji H2 (np. KANE 258, KANE 358) spełniają normę PN-EN50379-3 i są odpowiednie do analizy spalin podczas konserwacji i regulacji kotłów gazowych.
Urządzenia wyższej klasy (np. KANE 458, KANE 958, KANE 988, KANE 9206) mają cele pomiarowe z kompensacją H2, co zapewnia dokładniejszy pomiar CO i spełnia normę PN-EN50379-2. Mogą być używane przez instalatorów, serwisantów i inspektorów do analizy spalin z dowolnego kotła zasilanego różnymi paliwami.
Analizatory spełniające normę PN-EN50379-2 są wymagane podczas przeglądów określonych przez przepisy prawa.
3. Cele (czujniki) pomiarowe
Do regulacji kotłów grzewczych najczęściej stosuje się analizatory wyposażone standardowo w dwie cele pomiarowe: do pomiaru O2 i CO (np. KANE 258, KANE 958) lub CO2 i CO (np. KANE 358, KANE 458). Określenie stężenia tych dwóch związków jest wystarczające do obliczenia nadmiaru powietrza, strat i sprawności spalania.
W przypadku kotłów regulowanych na podstawie stężenia CO2 w spalinach, najlepiej wybrać analizator z bezpośrednim pomiarem CO2 (np. KANE 358, KANE 458).
Gdy wymagana jest szczegółowa analiza emisji szkodliwych związków, należy zastosować analizatory (np. KANE 958, KANE 988, KANE 9206), które mają możliwość zamontowania dodatkowych cel pomiarowych do określenia stężenia NO, NO2, SO2, CxHx i H2S.
Podczas pomiaru NO2 i SO2 konieczne jest użycie modułu kondycjonowania próbek (GCU), który usuwa parę wodną z gazów spalinowych, zapewniając prawidłowy pomiar tych związków.
4. Moc badanego kotła
Pomiar szkodliwych związków emitowanych do atmosfery jest często wymagany w kotłach przemysłowych. Niektóre z nich mają bardzo wysoką moc, a przewód odprowadzający spaliny może mieć duży ciąg kominowy (powyżej 50 mbar), co uniemożliwia zwykłym analizatorom zassanie próbki. W takich przypadkach stosuje się analizatory wyposażone w specjalną pompkę o zwiększonej mocy (np. KANE 988, KANE 9206).
5. Długotrwałe pomiary
Jeśli wymagana jest długotrwała analiza spalin trwająca kilka godzin bez przerwy, analizator powinien mieć zamontowany system automatycznego odprowadzania wody z odstojnika kondensatu. Taki system jest szczególnie przydatny w przypadku badania kotłów o dużej mocy, gdzie odstojnik szybko się zapełnia. Tę funkcję posiadają najbardziej zaawansowane analizatory, np. KANE 9206.
Konfiguracja analizatora
Aby prawidłowo przeprowadzić analizę spalin, kluczowe jest wprowadzenie do urządzenia pomiarowego charakterystycznych współczynników (np. wartość opałowa, stechiometryczne wartości CO2) paliwa używanego w badanym procesie spalania. Na podstawie tych współczynników analizator określa najważniejsze cechy spalania: stężenie CO2 (lub O2 – w zależności od analizatora), wydajność i nadmiar zużytego powietrza.
Analizatory KANE mają fabrycznie wprowadzone charakterystyki najczęściej używanych paliw – wystarczy wybrać odpowiednie paliwo w ustawieniach.
Wykonanie analizy
Przed rozpoczęciem analizy spalin należy zmierzyć stężenie CO i CxHy w otoczeniu kotła, aby zapewnić bezpieczeństwo. Wysokie stężenia tych gazów mogą grozić wybuchem lub zatruciem. Wybrane analizatory spalin (np. KANE 458, KANE 958) umożliwiają pomiar gazów w otoczeniu za pomocą bezprzewodowych sond. Pomiary te można również wykonać osobnymi przyrządami, jeśli są już dostępne.
Jeśli stężenie CO i CxHy w otoczeniu jest niskie lub bezpieczne, należy wywiercić w rurze spalinowej mały otwór o wymiarach dopasowanych do sondy analizatora, aby uniknąć wycieku gazu podczas pomiarów.
Dla uzyskania dokładnych wyników, sondę należy umieścić przed tłumikiem lub przełącznikiem ciągu oraz jak najbliżej wyjścia spalin z kotła, zachowując przed punktem pomiarowym prosty odcinek przewodu spalinowego o długości dwóch średnic tego przewodu (zob. rys. 2.3).
Rys. 2.3. Mocowanie sondy pobierającej próbkę spalin (źródło: Sauermann, opracowanie własne)
Po zamontowaniu sondy w odpowiednim miejscu można uniknąć rozcieńczenia i ochłodzenia próbki gazu w przewodzie spalinowym. Jeśli kocioł ma ekonomizer stosu lub podobne urządzenie, pomiar należy wykonać tuż za nim.
Następnie przeprowadza się pomiar sadzy w spalinach (test nieprzezroczystości). Najczęściej używa się do tego specjalnej manualnej pompki z wymiennym filtrem, do której zasysa się próbkę spalin. Jeśli w spalinach jest sadza, na filtrze pojawia się odbarwienie.
Obecność sadzy wskazuje na nieprawidłowe parametry spalania. W takim przypadku należy przeprowadzić wstępną regulację (zwiększyć ilość powietrza), aby stężenie sadzy było minimalne. Jest to szczególnie ważne w kotłach na paliwo stałe, ponieważ sadza może uszkodzić czujniki pomiarowe w analizatorze spalin.
Rys. 2.4. Pompka do badania nieprzezroczystości spalin (źródło: www.e-inst.com)
Po przeprowadzeniu testu nieprzezroczystości należy wykonać pomiary analizatorem spalin.
Przed wprowadzeniem sondy do przewodu spalinowego trzeba upewnić się, że urządzenie działa poprawnie: wartość tlenu powinna wynosić 20,9 – 21%, a pozostałe parametry – 0 ppm. Pomiary temperatury i stężenia gazów w spalinach najlepiej wykonać trzykrotnie, a ostateczny wynik powinien być średnią tych pomiarów. Na tej podstawie przeprowadza się regulację lub kontrolę kotła grzewczego.
Przekroczenie zakresu pomiarowego tlenku węgla
Podczas pomiaru stężenia spalin może dojść do sytuacji, w której przekroczony zostaje zakres pomiarowy celi CO. Analizatory mają wbudowane zabezpieczenie, które automatycznie zatrzymuje pompkę zasysającą spaliny. Pompka włącza się ponownie zazwyczaj po kilkunastu minutach.
W takim przypadku należy wynieść analizator na świeże powietrze w celu przepłukania cel pomiarowych i odczekać, aż wartość wskazywanego przez analizator stężenia CO wyniesie 0 ppm. Proces ten jest czasochłonny (może trwać nawet do 1 godziny) i stanowi utrudnienie przy regulacji kotła o wysokim stężeniu CO w spalinach.
Przemysłowe analizatory (np. KANE 988, KANE 9206) posiadają dodatkowe czujniki na podczerwień do pomiaru wysokich stężeń CO, co pozwala na automatyczne zwiększenie zakresu pomiarowego do 10% objętości gazów (100 000 ppm). Jest to najlepsze zabezpieczenie celi pomiarowej, umożliwiające nieprzerwaną analizę spalin przy stężeniach CO nawet powyżej 10 000 ppm.
Należy jednak pamiętać, że tak wysokie stężenie CO w spalinach jest bardzo niebezpieczne. Jeśli występuje nieszczelność w miejscu wprowadzenia sondy pomiarowej, CO może wydostać się na zewnątrz i spowodować zatrucie operatora.
Zakończenie analizy
Po zakończeniu pomiarów nie należy wyłączać analizatora. Urządzenie powinno pracować jeszcze przez minutę na świeżym powietrzu, aby schłodzić sondę i przewody oraz wypłukać resztki gazów i zregenerować cele pomiarowe.
Opis obliczanych wartości przez analizatory spalin
Analizatory spalin obliczają nadmiar powietrza, straty i sprawność kotła na podstawie mierzonej temperatury i stężeń związków w spalinach oraz charakterystycznych współczynników dla danego paliwa.
Poniżej przedstawiona jest tabela z opisem podstawowych współczynników wyznaczanych przez analizatory spalin Kane:
OBLICZANA WARTOŚĆ | OPIS |
Nadmiar powietrza (λ) lub (XAIR) | 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) | 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 (LOSS) | 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 brutto (ngc) | 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 (strata kominowa). 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 netto (nnc) | Suma sprawności energetycznej i kondensacji (energia odzyskana z pary wodnej w spalinach). 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. |
Stosunek CO/CO2 (ratio) | Jest to zmierzona wartość CO podzielona przez zmierzoną (lub obliczoną - w zależności od analizatora) wartość CO2. Stosunek ten określa zanieczyszczenie kotła. Gdy obliczony stosunek jest wyższa od 0,004, oznacza to, że kocioł wymaga czyszczenia. |
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 w pamięci urządzenia. Z czasem parametry kotła pogarszają się, co prowadzi do zmian w procesie spalania (krótko- i długoterminowych). Aby je zrozumieć, konieczne jest prowadzenie regularnej dokumentacji wszystkich analiz dla danego kotła. Porównując aktualne pomiary z wcześniejszymi, można zidentyfikować elementy wymagające wymiany w celu zwiększenia wydajności.
Konserwacja analizatora spalin
Analizatory spalin wyposażone są w czujniki elektrochemiczne (cele pomiarowe) o ograniczonej żywotności, wynoszącej zwykle 2-3 lata. Specyfika tych czujników powoduje, że tracą one swoje właściwości nawet wtedy, gdy nie są używane. Dodatkowo żywotność czujników znacznie się skraca, gdy są one często narażone na stężenia badanych gazów przekraczające górne zakresy pomiarowe.
Z tego powodu bardzo ważne jest regularne (najlepiej raz w roku) sprawdzanie analizatora w laboratorium wzorcującym, aby mieć pewność, że wskazania urządzenia są prawidłowe. Po kalibracji wystawiany jest 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 unikalną charakterystykę, która nie może być przenoszona na inne kotły, nawet jeśli są one tego samego typu i pracują w podobnych warunkach.
Dlatego kluczowe jest przeprowadzanie regularnej analizy parametrów dla każdego urządzenia grzewczego (kotła). Tylko w ten sposób można wyregulować proces spalania, zapewniając optymalną równowagę między wydajnością, efektywnością konserwacji, bezpieczeństwem i ochroną środowiska – ograniczając emisję zanieczyszczeń i zwiększając efektywność energetyczną przy niższych kosztach.
Jeśli po zapoznaniu się z tym 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