Методи за измерване на кислородното съдържание в зоната на горене

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2005

Методи за измерване на кислородното съдържание в зоната на горенеЗависимост между излишъка от въздух и нивото на NOx

Влияние на количеството кислород върху емисиите от азотни оксиди

Повишените изисквания за екологосъобразност в индустрията се отнасят в голяма степен за горивните процеси, които са съпътствани с отделянето на вредни газови емисии. Ратифицираните от страната ни международни споразумения, включително Протокола по изменението на климата, познат като Протокол от Киото дефинират и една от основните насоки, в които ще се развива инвестиционната политика на индустриалните обекти, които разполагат с големи горивни уредби. Има всички основания да се твърди, че сериозно внимание в инвестиционните планове на индустриалните обекти през следващите години трябва да бъде отделено на внедряването на нискоемисионни горивни технологии от една страна, а от друга на необходимостта от използването на средства за контрол на емисиите от вредни вещества.

Сред вредните газови емисии, съпътстващи работата на горивните уредби, които все повече ще подлежат на стриктен нормативен контрол са азотните оксиди. Значителна част от индустриалните дейности изискват изграждане и поддържане на горивни инсталации. Най-широко използваните горива, в индустриалните горивни уредби са въглищата, природният газ и мазута. Както е добре известно, изборът на гориво зависи от географското местоположение, типа на котелната уредба, цената на съответното гориво, наличието на централно газоснабдяване и др. Ефективността на горивният процес е определящ фактор за разхода на гориво, генерираните емисии от вредни вещества и дори безопасността и сигурността на работата на уредбата.

Влияние на количеството кислород

Неравномерното протичане на горивния процес налага предприемане на непрекъснати коригиращи въздействия върху сместа от гориво и въздух. Целта е поддържане на оптимално съотношение между елементите на горивната смес. Процесът на настройка на оптималната концентрация на въздуха и горивото е изключително важен от гледна точка ефективността на работа на цялата инсталация. Методите, чрез които се настройват концентрациите на въздуха и горивото са различни и се определят от особеностите на котела, вида на горивото и алгоритъма за управление на горивния процес. Някои методи се базират на регулиране количеството на подавания въздух в системата, други на количеството впръсквано гориво. Съществуват и комбинирани решения, при които се регулира както количеството на въздуха, така и на горивото. Независимо от използвания метод за оптимизиране съдържанието на горивната смес, при някои инсталации от критично важно значение за безопасността и ефективността им на работа е да се осигури коректна информация за количеството на кислорода. По тази причина в редица приложения е задължително, а в други препоръчително да се извършва непрекъснат контрол на кислородната концентрация в зоната на горене.

Съвсем логично грешката при измерване концентрацията на кислорода би могла да окаже влияние върху работата на котелната уредба, тъй като данните от измерването се използват за оптимизиране съдържанието на горивната смес. Счита се, че 10% увеличение на излишъка от въздух в зоната на горене води до 1% нарастване на разхода на гориво. Известно е също, че разходът на гориво се увеличава значително при работа на котела с недостиг на кислород. От друга страна обаче излишъкът на въздух е предпоставка за увеличаване концентрацията на азот, което създава благоприятни условия за образуване на термични азотни оксиди. Важно е да се вземе предвид и факта, че поддържането на определен излишък на въздух е необходимо, за да се осигури ефективно протичане на горивния процес. Оптималното положение е количеството на излишния въздух да бъде около и малко над стехиометричните стойности (даващи количествена зависимост между реагентите и крайните продукти в химическите реакции) за използваното гориво. По този начин се минимизира количеството на образуваните азотни оксиди и се понижава разходът на гориво.

Принцип на работа на циркониевите клетки

За измерване концентрацията на кислорода широко се използват измервателни клетки с циркониев диоксид. Специфика на метода е възможността за използването му в работни условия, т.е. без необходимост от екстракция на проба и обработването й в специално инсталирана газанализаторна станция. Методът се базира на горещ електрохимичен твърд електролит, чрез използването на който се измерва концентрацията на кислород в зоната на горене. Измервателната клетка е изградена от твърд електролит - циркониев диоксид и два електрода от благороден метал. При повишена температура електролитът от циркониев диоксид е порьозен за кислородните йони. Единият край на измервателната клетка е изложен на въздействието на димните газове, които съдържат кислород. Другият край на клетката е подложен на въздействие от страна на определен еталонен газ. Обикновено като еталонен газ се използва чист и изсушен въздух с концентрация на кислород от порядъка на 21 %. Принципът на действие на този вид измервателни клетки се състои в индуциране на електродвижещо напрежение вследствие на разликата в концентрациите на кислорода в димния газ и еталонния газ. Стойността на индуцираното между електродите напрежение е пропорционално на концентрацията на кислород в димния газ. Специфика на циркониевия диоксид е устойчивостта му на химически въздействия и слабата му чувствителност към други димни газове, например въглероден диоксид. Изискването по отношение високите стойности на температурата, необходими за протичането на електрохимичната реакция позволяват измерването да се извършва директно в димоотвода.

Сравними ли са резултатите от директното и екстракционното измерване

Измервателната технология с циркониеви клетки зависи от парциалното налягане на кислорода, което се понижава с излизането на водните пари извън пробата при екстракционно измерване. Трудно е да се установи новото влагосъдържание в газовия поток, без точно да се измери температурата на газа. Вероятността да е останала някаква влага в пробата след изсушаването е голяма. Без да е известно понижаването на влагосъдържанието по време на екстракционния процес е некоректно да се сравняват резултатите от директното измерване на концентрацията на кислорода с тези, получени чрез извличане на проба. В повечето екстракционни системи пробата се взема от димоотводната тръба и се изсушава с цел отстраняване на водното съдържание. След това изсушената газова проба се подава към електрохимичен сензор за измерване концентрацията на кислорода. Изсушаването на пробата осигурява съпоставимост и повторяемост на резултатите от измерването на кислорода на базата на двете измервателни технологии - на място и чрез екстракция. Не съществува единно становище по въпроса коя от двете измервателни технологии е по-добра от метрологична гледна точка. Сред водещите производители на газанализаторна техника има такива, които предлагат технически решения за измерване съдържанието на газови емисии, сред които и на кислорода директно в непосредствена близост до зоната на горене, както и компании, произвеждащи средства и системи за измерване концентрацията на кислорода чрез екстракционен метод.

Действителните разлики в измерените стойности на базата на двете измервателни технологии зависят от вида на използваното гориво, влагосъдържанието на околната среда, т




ЕКСКЛУЗИВНО

Top