Kontrola emisji tlenków azotu

W celu zmniejszenia emisji tlenków azotu NOx elektrownie dokonują gigantycznych zmian, aby sprostać przepisom. Większość zmian polega na rozbudowie i unowocześnianiu aparatury do pomiaru zawartości tlenu w pobliżu strefy spalania.

Na ogólnym schemacie działania elektrowni parowej widać, że ciepło jest używane do wytwarzania pary, która obraca turbinę i sprzężoną z nią prądnicę wytwarzającą energię elektryczną. Ciepło wymagane do procesu przemiany wody w parę pochodzi z różnych źródeł. Najczęściej stosowana metoda polega na spalaniu węgla, gazu naturalnego, drewna czy oleju. Rodzaj stosowanego paliwa zależy od rejonu geograficznego, typu kotła oraz ceny paliwa. Efektywność procesu spalania wpływa na bezpieczeństwo, zużycie paliwa oraz emisję w procesie wytwarzania ciepła.

Zakłócenia w procesie spalania wymagają drobnych korekt mieszanki paliwo/powietrze w celu utrzymania jej właściwego składu (stosunku paliwo-powietrze) i efektywnej pracy kotła. Proces regulowania paliwa czy powietrza nazywany jest regulacją kotła. Metody regulacji kotła zależą od producenta kotła, rodzaju paliwa i algorytmu sterowania. Jedne metody regulują ilość powietrza podawanego do systemu, inne regulują ilość paliwa; są też takie, które regulują oba czynniki. Niezależnie jednak od metody, do zapewnienia bezpieczeństwa i wysokiej efektywności konieczna jest znajomość ilości tlenu uczestniczącego w procesie. Większość elektrowni wykorzystuje urządzenia pomiarowe, które mierzą zawartość tlenu w pobliżu strefy spalania w sposób ciągły.

Logicznie rzecz biorąc, błędy w pomiarze strumienia powietrza bezpośrednio oddziałują na regulację kotła, wpływając na bezpieczeństwo procesu, zużycie paliwa oraz emisję z tlenkami azotu włącznie. Jako generalną zasadę można przyjąć, że wzrost ilości powietrza o 10% zwiększy zużycie paliwa o 1%. Zużycie paliwa wzrasta jednak znacznie bardziej, kiedy kocioł pracuje w warunkach niedoboru tlenu. Nadmiar powietrza wymaga zwiększonej ilości ciepła do utrzymania temperatur spalania, a także powoduje dostarczenie dodatkowej ilości azotu, tworząc lepsze warunki do powstawania tlenków azotu NOx. Pewien nadmiar powietrza jest konieczny do zapewnienia bezpiecznej i wydajnej pracy kotła; paliwo zajmuje określoną powierzchnię, a proces spalania wymaga czasu. Utrzymywanie nadmiaru powietrza w pobliżu i nieco ponad wartościami stechiometrycznymi (zależność ilościowa pomiędzy substratem a produktem reakcji) dla danego paliwa zmniejsza ilość tworzących się tlenków azotu i zachowuje minimalny poziom zużycia paliwa.

Rys. Porównanie wyników mokrego i suchego pomiaru O2 pokazuje, że w suchej próbce znajduje się więcej O2.

 

Typowa metoda pomiaru tlenu stosowana obecnie w elektrowniach jest pewnego rodzaju pomiarowym ogniwem paliwowym. Pomiar z wykorzystaniem zirconium różni się znacznie, dlatego nadaje się do operacji in situ (na miejscu). W metodzie tej do mierzenia zawartości tlenu wykorzystuje się gorący stały elektrochemiczny elektrolit. Dwie elektrody wykonane z metali szlachetnych znajdują się po obu stronach stałego elektrolitu – stabilizowanego zirconium. Elektrody i zirconium stanowią komorę pomiarową. W podwyższonych temperaturach elektrolit zirconium pod wpływem jonów tlenu staje się porowaty. Z jednej strony komory znajduje się badany gaz zawierający tlen, z drugiej strony – gaz odniesienia.

Dla uproszczenia budowy oraz zmniejszenia kosztów urządzenia źródłem gazu odniesienia jest zazwyczaj czyste, suche powietrze z zakładu o znanej zawartości tlenu – ok. 21% O2. Różnice pomiędzy stężeniem tlenu w gazach (procesu i odniesienia) wywołują napięcie odwrotnie proporcjonalne do zawartości tlenu w gazie procesowym. Zirconium jest odporne na reakcje chemiczne i zazwyczaj ma niską wrażliwość na inne gazy, takie jak CO2. Podwyższona temperatura wymagana do przebiegu reakcji elektrochemicznej pozwala na umieszczenie czujnika pomiarowego bezpośrednio w gazie spalinowym, bez instalacji pośredniczącej.

 

Czynniki wpływające na dokładność pomiaru

Technologia pomiarowa oparta na zirconium zależy od ciśnienia cząstkowego tlenu, które zmieni się, kiedy para wodna zostanie usunięta z próbki gazu. Trudno jednak określić wilgotność strumienia gazu bez wykonania dokładnego pomiaru jego temperatury; zawsze będzie istnieć pewne prawdopodobieństwo, że próbka zawiera parę wodną. Bez znajomości ilości usuniętej wilgoci w procesie osuszania nie jest więc możliwe porównanie danych uzyskanych dla gazu metodą in situ (wilgotnego) z danymi dla gazu ekstrakcyjnego (suchego). Dlatego w większości systemów ekstrakcyjnych gaz procesowy jest pobierany z kanału spalinowego i przepuszczany przez urządzenie osuszające, które skutecznie usuwa całą zawartość wody.

Osuszona próbka jest następnie przepuszczania przez czujnik elektrochemiczny, który mierzy stężenie tlenu. Dzięki zdefiniowaniu stopnia suchości próbki uzyskuje się przewidywalną, powtarzalną zależność pomiędzy pomiarami in situ (dla próbki wilgotnej) oraz dla próbki ekstrakcyjnej (suchej). Pomiary w rzeczywistości różnią się, w zależności od rodzaju paliwa, wilgotności powietrza oraz stopnia obciążenia kotła, ale w kotłach opalanych węglem rzeczywista różnica mieści się zazwyczaj w zakresie 0,2–0,7%. Wykres „Porównanie wyników pomiaru in situ i pomiaru ekstrakcyjnego” pokazuje różnice między wynikami uzyskanymi w pomiarach na sucho i na mokro, wykonanymi w elektrowni z kotłami PBR (Pebble Bed Reactor – reaktor ze złożem usypanym). Należy zwrócić uwagę, że wyniki pomiaru O2 metodą suchą dają wyższe wartości niż pomiary metodą mokrą. Jest to sprzeczne z oczekiwaniem, ale w wyniku usunięcia wody zwiększa się ciśnienie cząsteczkowe gazu, a tym samym i stężenie tlenu w danej objętości.

Wiele czujników działających na bazie zirconium ma wbudowane elementy grzewcze, których zadaniem jest utrzymanie odpowiedniej temperatury wymaganej do prawidłowego działania urządzenia. Elementy grzewcze to zazwyczaj cienkie druty oporowe umieszczone w pobliżu elektrolizera zirconium. Regulacja temperatury realizowana jest w układzie zamkniętym, z wykorzystaniem termopary ze względu na niski koszt i prostotę pomiaru.

Wiele czujników działających na bazie zirconium ma wbudowane elementy grzewcze, których zadaniem jest utrzymanie odpowiedniej temperatury wymaganej do prawidłowego działania urządzenia. Elementy grzewcze to zazwyczaj cienkie druty oporowe umieszczone w pobliżu elektrolizera zirconium. Regulacja temperatury realizowana jest w układzie zamkniętym, z wykorzystaniem termopary ze względu na niski koszt i prostotę pomiaru.

Istnieją również czujniki bez elementów grzewczych, które ciepło niezbędne do pracy komórki czerpią z otoczenia. Czujniki te mogą być stosowanie tylko wtedy, gdy temperatura procesu jest wyższa od roboczej temperatury zirconium. Przy zastosowaniu urządzenia tego typu nie jest więc możliwe wykonywanie pomiarów zawartości tlenu podczas uruchamiania lub po wyłączeniu kotła.

Elektrolizer zirconium generuje wyjście w miliwoltach, zgodnie z równaniem Nernsta (patrz: ramka). Sygnał przekazywany jest do skrzynki przyłączeniowej czujnika za pomocą pojedynczego przewodu. Dla uproszczenia większość producentów jako drugi przewód wykorzystuje uziemienie elektrolizera i obudowy czujnika. Dlatego do zapewnienia wymaganej dokładności pomiarów bardzo ważne jest dobre uziemienie obudowy czujnika. Złe uziemienie prowadzi do zakłóceń w pomiarach. Samo podłączenie do kotła zapewnia zazwyczaj wystarczającą płaszczyzną uziemiającą, ale słabe spoiny w połączeniu instalacji mogą czasami powodować problemy z uziemieniem.

Sygnał z komory transmitowany jest przez kabel zewnętrzny do analizatora tlenu lub do oddzielnego przetwornika. Analizator przetwarza sygnały z komory pomiarowej (i termopary) na nadające się do odczytu dane o stężeniu tlenu. Pełni też rolę regulatora temperatury dla czujników z elementem grzewczym. Większość analizatorów pierwszego rzędu ma wyjścia analogowe, które mogą być wykorzystane do celów regulacyjnych, oraz wyjścia cyfrowe (przekaźnikowe), które mogą służyć do sygnalizacji alarmów lub sterowania zaworami. Niektóre analizatory mają nawet wejścia analogowe do wprowadzania i uwzględniania w obliczeniach innych zmiennych procesowych. Istnieją również urządzenia wyposażone w wyświetlacz i minimalną liczbę funkcji.

W miarę starzenia się komory zirconium, ze względu na zanieczyszczenie zirconium czy utlenianie się metalowych elektrod, działanie jej ulega osłabieniu. W celu zapewnienia dokładności odczytu komorę należy kalibrować. Kalibracja polega na porównaniu odczytów rzeczywistych i teoretycznych dla tego samego stężenia. Algorytm kalibracji koryguje różnice wskazań.

 

Zasady wykonywania pomiarów

Największy wpływ na wyniki pomiaru mają: usytuowanie pomiaru w instalacji, jakość instalacji oraz liczba punktów pomiarowych. Pomiar zawartości tlenu wykorzystywany jest do monitorowania nadmiaru powietrza w procesie spalania. Logika mówi, że pomiar powinien być wykonywany w pobliżu procesu spalania a najlepiej dokładnie tam, gdzie paliwo jest rzeczywiście spalane. Ograniczenia fizyczne materiałów, z jakich wykonany jest czujnik uniemożliwiają zainstalowanie czujnika bezpośrednio na „kuli ognia”. Metale topią się i zapadają, a elementy ceramiczne może uszkodzić żużel i inne odpady procesu spalania. Ponadto umieszczanie czujnika w komorze spalania poprzez ściany kotła pokryte przewodami z parą byłoby uciążliwe i kosztowne. Pomiar jest więc zazwyczaj przesuwany z komory spalania oraz wtórnych procesów spalania w kanałach spalinowych i dokonywany za podgrzewaczem wody a przed podgrzewaczem powietrza. Jednakże w wielu zakładach istnieje sporo miejsc dostępu, złączy kompensacyjnych oraz innych punktów „przecieku” powietrza, które mogą zniekształcić pomiary tlenu. Wiele zakładów przesuwa zatem pomiary w pobliże obszaru spalania, w pełni wykorzystując dostosowaną do wysokich temperatur technologię zirconium.

 

Rys. Graficzne przedstawienie kwestii, jakie należy rozważyć podczas wykonywania przeglądu działania czujnika wykrywającego O2.

 

Jakość instalacji jest równie ważna. Elementy takie, jak jakość powietrza, stan uszczelnień oraz dostępność w celach konserwacyjnych mogą wpływać na dokładność pomiaru zawartości tlenu. Na przykład jakość powietrza będącego odniesieniem jest równie ważna jak jakość gazu pomiarowego. Znaczące zmiany wilgotności powietrza odniesienia mogą zmienić odczyt zawartości tlenu w gazie procesowym o 0,75% O2. Jest to błąd zmienny, jego wartość zależy od warunków środowiskowych.

W końcu liczba i usytuowanie punktów pomiarowych jest najbardziej niedopracowaną częścią zasady pomiarów spalania tlenu, głównie ze względu na koszty. Parametry kotła takie, jak złącza kompensacyjne, łopatki obrotowe, zgięcia przewodów, zdmuchiwacze sadzy oraz wewnętrzne konstrukcje krat powodują, że gazy spalinowe rozwarstwiają się, wirują czy w różny sposób wchodzą w ciągi – zależnie od obciążenia kotła. Celem dyskretnego pomiaru O2 jest odnalezienie próbki najlepiej reprezentującej to, co dzieje się w komorze spalania.

Pojedynczy czujnik tlenowy, umieszczony na głębokości 0,9 m w przewodzie o przekroju 12,2×12,2 m, raczej nie dostarczy próbki reprezentatywnej dla całego zakresu obciążenia kotła. Z kolei ten sam przewód spalinowy pokryty przez 90 czujników O2, choć może wyglądać atrakcyjnie dla producentów tych czujników, jest nieekonomiczny, a jego konserwacja to prawdziwy koszmar. Nie jest też niezbędny. Jedynie kilka zakładów poświęca czas i wysiłek na określenie rzeczywistych charakterystyk przepływu gazu w kanałach spalinowych. Wiele zakładów polega na modelu przepływu sporządzonym podczas oddawania zakładu do eksploatacji i przyjmuje go za podstawę umiejscowienia pomiaru, także liczby i ułożenia czujników. Tymczasem wiele modernizacji powstałych po oddaniu zakładu, mających na celu zredukowanie tlenków azotu czy zwiększenie efektywności zużycia paliwa, w zdecydowany sposób zmienia przepływ gazu przez przewody. Niektóre zakłady wykorzystują zatem przenośny sprzęt testujący oraz specjalne miejsca i kanały dostępu, aby uzyskać rzeczywisty profil rozkładu O2 w powietrzu na skrzyżowaniach przewodów.

Niektóre zakłady podejmują nawet wysiłek sporządzenia macierzy pokazującej zawartość O2 i prędkość przepływu powietrza na skrzyżowaniach przewodów, przy różnych obciążeniach kotła. Jest to najlepsza metoda wyboru lokalizacji, sposobu ułożenia oraz liczby czujników niezbędnych do prawidłowego pomiaru. Wybór rozmieszczenia próbek może w znacznym stopniu wpłynąć na zużycie paliwa i emisję Nox. Wykres kształtowania się „profilu O2 w przewodzie” pokazuje prosty, lecz realistyczny obraz profilu O2, z uwzględnieniem niektórych rozważań dotyczących położenia czujników.

 

Jim Scott, dyrektor ds. produktu, oraz Robert Dennis, specjalista ds. produktu, zajmują się produktami do analizy gazu firmy Yokogawa Corp. of America.

www.yokogawa.pl