prof. dr hab. inż. Waldemar WÓJCIK, dr inż. Sławomir CIĘSZCZYK, dr inż. Paweł KOMADA, mgr inż. Piotr POPIEL

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Waldemar WÓJCIK, dr inż. Sławomir CIĘSZCZYK, dr inż. Paweł KOMADA, mgr inż. Piotr POPIEL Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Elektroniki Politechniki Lubelskiej, p.popiel@pollub.pl, ; kom.: , ul. Nadbystrzycka 38A, Lublin, Optyczna metoda oznaczania węgla całkowitego w popiele lotnym przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym Optical method for the determination of total carbon in fly ash during co-combustion biomass with pulverized coal W artykule przedstawiono wyniki pomiarów spektralnych promieniowania rozproszonego przez popiół lotny o określonej zawartości węgla całkowitego TC. Jedną z próbek poddano badaniom przesiewowym, w celu określenia wpływu grubości frakcji na zawartość części palnych. Głównym elementem układu pomiarowego był analizator widma firmy ANDO AQ6315B. Jako źródło promieniowania wykorzystano lampę halogenową. Pomiary przeprowadzono w zakresie nm. Polish power plants use millions of tons of coal per year. At the same time, they generate large quantities of fly and bottom ashes. These wastes are often used in the construction industry, for example for cement or concrete production if they contain no more than 5% of unburned carbon. Therefore, it is necessary to monitor this parameter continuously. One of the methods used is an optical method for testing scattered radiation. This article presents measurement results of optical spectra radiations diffuse from samples of fly ash obtained from biomass co-combustion with pulverized coal. One sample was subject of sieving examination to determine thickness of the fraction depending on the content of unburned carbon. In each case LOI method was used to analyze unburned carbon in fly ash. The main part of the measurement system was spectrum analyzer ANDO AQ6315B. The study was done within nm range. As a light source a halogen lamp was used, which provided high optical power in a broad spectral range. A thick fiber core was utilized in order to transfer the scattered radiation into the analyzer. This element has a negative effect on the transmitted signal, i.e. it makes impossible to analyze the data within nm range. In order to eliminate this effect, all data were adjusted accordingly. Słowa kluczowe: popiół lotny, części palne, współspalanie, biomasa Keywords: fly-ash, unburned particles, co-combustion, biomass 1. Wstęp Krajowa energetyka zawodowa wytwarza corocznie tysiące ton popiołów i żużli. Uboczne produkty spalania są coraz chętniej wykorzystywane, szczególnie w przemyśle budowlanym. Ograniczeniem w ich stosowaniu, oprócz określonego składu chemicznego i właściwości fizyko-chemicznych, są straty prażenia. Ich wielkość, sposób wyznaczania został określony w normach z serii PN-EN 196 (metody badania cementu) i PN-EN 450 (popiół lotny do betonu). Współspalanie biomasy z pyłem węglowym często wiąże się ze wzrostem niedopału [7]. Ogólnie stosowane metody laboratoryjne oznaczania zawartości części palnych wymagają udziału obsługi i wydłużają dodatkowo czas pomiaru. Dotychczas opracowane metody pomiaru on-line [3,4,5] wykazują wrażliwość na zmianę spalanego paliwa, co w przypadku współspalania różnego rodzaju biomasy [2] staje się coraz większym problemem. Wśród tych

2 metod są także metody optoelektroniczne, które wykorzystują promieniowanie rozproszone przez badaną próbkę. Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu zawartości węgla całkowitego w popiele lotnym, na moc promieniowania rozproszonego, oraz na rozkład widma w zakresie nm. 2. Przygotowanie materiału do badań Popiół lotny pobrany został ze strefy 1 elektrofiltru (rys. 1) w jednej z krajowych elektrowni zawodowych współspalających biomasę z węglem kamiennym. Rys. 1. Miejsce pobrania próbek popiołu lotnego z lejów elektrofiltra Fig. 1. The place of sampling fly ash from electrostatic precipitator Próbki pobierane były z różnych bloków w ciągu kilku dni o różnych godzinach, co ma znaczący wpływ na wyniki pomiarów. Z uwagi na fakt istnienia zbiornika buforowego biomasy w ciągu nawęglania, nie ma możliwości określenia dokładnego składu spalanego paliwa w danym momencie (różne rodzaje biomasy zostają zmieszane w tym zbiorniku). Do badań wykorzystano próbki popiołu lotnego pobrane z elektrofiltru (współspalanie biomasy z pyłem węglowym). Jedną z próbek popiołu lotnego o masie 100g i zawartości niespalonego węgla całkowitego TC=7,15% poddano badaniom przesiewowym, których wyniki pokazano na rysunku 2. W każdej z frakcji oznaczono zawartość węgla całkowitego TC metodą LOI (Loss on Ignition) [7]. Z poniższego wykresu można wywnioskować, iż zawartość niespalonego węgla maleje wykładniczo wraz ze zmniejszeniem grubości frakcji. Biorąc pod uwagę bardzo dużą zawartość węgla całkowitego TC dla najgrubszych cząstek (nawet 68%) i zjawisko rozwarstwiania w próbce, pomiary z wykorzystaniem analizatorów węgla powinny być powtarzane, a wyniki uśredniane. Badanie to pozwoliło również na pozyskanie materiału do dalszych badań.

3 Rys. 2. Wyniki badań przesiewowych popiołu lotnego Fig. 2. Results of sieving examination of fly ash 3. Stanowisko pomiarowe Uproszczony schemat stanowiska pomiarowego do badań spektralnych w ubocznych produktach spalania został zaprezentowany na rysunku 3. Rys. 3. Stanowisko pomiarowe do badań spektralnych Fig. 3. Measurement system for spectra examination Głównym przyrządem wykorzystywanym do pomiarów widma promieniowania rozproszonego był analizator widma optycznego firmy ANDO AQ6315B. Umożliwia on pomiar w zakresie nm. Ze względu na szeroki zakres przeprowadzanych pomiarów ( nm) maksymalna rozdzielczość optyczna przyrządu nie mogła być większa niż 10nm. Uniemożliwia to niestety analizę pasm i linii emisyjnych bądź absorpcyjnych pierwiastków i związków chemicznych. Alternatywnym, jednocześnie tańszym przyrządem pomiarowym do badania promieniowania rozproszonego mógłby być spektrofotometr. Związane jest to jednocześnie z doborem odpowiedniego rodzaju detektora (najczęściej linijki CCD) o odpowiednim zakresie spektralnym [1]. Jako źródło światła białego wykorzystano lampę halogenową o mocy znamionowej 150W, która została ustawiona w odległości kilkunastu centymetrów od badanej próbki. Źródło to dostarcza odpowiednią ilość promieniowania o widmie ciągłym w szerokim zakresie spektralnym, jak pokazano na rysunku 4. W celu przekazania promieniowania do analizatora koniecznym było wykorzystanie światłowodu grubordzeniowego.

4 Rys. 4. a) widmo promieniowania źródła światła; b) wpływ światłowodu na zmianę jego kształtu Fig. 4. a) radiation spectrum of the light source; b) the influence of fiber optic on its shape Jak widać na rysunku 4 wpływ światłowodu na rozkład widma jest znaczący, a w zakresie ok nm jego tłumienie jest tak silne, iż moc optyczna przekazana do analizatora jest bliska zeru. Z uwagi na ten fakt, dane pomiarowe zarejestrowane w wymienionym wcześniej zakresie spektralnym zostały usunięte z kolejnych charakterystyk. Wykorzystanie mechanicznych elementów regulacyjnych pozwoliło na zmianę kąta położenia włókna względem płaszczyzny badanej próbki. Przeprowadzone badania eksperymentalne umożliwiły określenie takiego położenia, przy którym moc optyczna przekazana do analizatora widma była największa (45-55º). Wszystkie kolejne badania przeprowadzono dla próbek popiołu lotnego, o płaskiej powierzchni, przy grubości warstwy nie przekraczającej 3mm przy stałym położeniu włókna (45º). 4. Wyniki pomiarów Na rysunku 5 przedstawione zostały wykresy spektralne zmian względnej mocy optycznej promieniowania rozproszonego przez kolejne frakcje popiołu lotnego (próbka poddana badaniom przesiewowym). Rys. 5. Spektrum promieniowania rozproszonego dla kolejnych frakcji: a) TC = 1,61%; b) TC = 2,2%; c) TC = 2,91%; d) TC = 4,01%; e) TC = 6,73%; f) TC = 11,94%; g) TC = 22,54%; h) TC = 68,06%; i) TC = 44,53%; j) TC = 33,87%

5 Fig. 5. Spectrum of scattered radiation for different samples: a) TC = 1,61%; b) TC = 2,2%; c) TC = 2,91%; d) TC = 4,01%; e) TC = 6,73%; f) TC = 11,94%; g) TC = 22,54%; h) TC = 68,06%; i) TC = 44,53%; j) TC = 33,87% Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że istnieje silny związek mocy optycznej od ilości niespalonego węgla w całym zakresie spektralnym oraz, że kształt kolejnych krzywych nie różni się zbytnio od siebie. Duża zmienność względnej mocy promieniowania rozproszonego w zakresie nm nie pozwala na sformułowanie jednoznacznych wniosków. We wszystkich przypadkach moc optyczna wzrasta wraz z długością fali aż do 1300nm (dość szybko w zakresie nm i nieco wolniej między 1000 a 1300nm). Tylko w okolicach 1160nm zauważalna jest kilkuprocentowa absorpcja promieniowania, a dla promieniowania dłuższego niż 1620nm moc gwałtownie maleje. Na rysunku 6 przedstawiono charakterystyki zmian względnej mocy optycznej dla kolejnych próbek przy określonej długości fali promieniowania. Rys. 6. Moc promieniowania dla kolejnych próbek popiołu przy różnych długościach fali: a) λ = 1300 nm, b) λ = 1100 nm, c) λ = 1600 nm, d) λ = 900 nm, λ = 700 nm, λ = 500 nm Fig. 6. Optical power for different samples of fly ash at different wavelength radiation: a) λ = 1300 nm, b) λ = 1100 nm, c) λ = 1600 nm, d) λ = 900 nm, λ = 700 nm, λ = 500 nm Największe zmiany mocy występują dla próbek o zawartości węgla całkowitego nieprzekraczającej kilkunastu procent - moc maleje ze wzrostem zawartości części palnych. Metoda ta wydaje się dobrym rozwiązaniem, gdyż najczęstszym ograniczeniem sprzedaży popiołu lotnego są 5% straty prażenia. Z charakterystyk przedstawionych na rysunku 6 można wywnioskować również, iż dla próbek o TC większych niż 33% otrzymamy takie same wartości, jak dla niższych koncentracji. Warto zauważyć, iż w warunkach prawidłowej eksploatacji tak duże straty niedopału nie występują. Kolejnym wnioskiem jest określenie maksymalnej dynamiki zmian względnej mocy optycznej, która jest największa dla promieniowania z zakresu nm, co powinno zostać uwzględnione przy ewentualnej budowie odpowiedniego czujnika. Podobne badania przeprowadzono dla innych prób popiołu lotnego, a ich wyniki zaprezentowano odpowiednio na rysunkach 7 i 8. Charakter zmian przebiegów z rysunku 7 jest zbliżony do tych z rysunku 5.

6 Rys. 7. Spektrum promieniowania rozproszonego przez badane próbki: a) popiół 1, TC = 1,91%: b) popiół 2, TC = 2,65%; c) popiół 3, TC = 4,38%; d) popiół 4, TC = 7,87%; e) popiół 5, TC = 9,21% Fig. 7. Spectrum of scattered radiation for different samples: a) fly-ash 1, TC = 1,91%: b) flyash 2, TC = 2,65%; c) fly-ash 3, TC = 4,38%; d) fly-ash 4, TC = 7,87%; e) fly-ash 5, TC = 9,21% Występujące różnice w rozkładzie widmowym pomiędzy wszystkim zbadanymi próbkami są niewielkie. W celu lepszego ich poznania należy wykonać dodatkowe pomiary zwiększając rozdzielczość optyczną i zawężając badany zakres spektralny. Potwierdzeniem wcześniejszych spostrzeżeń, są charakterystyki przedstawione na rysunku 8, z których wynika, iż względna moc promieniowania rozproszonego silnie maleje wraz ze wzrostem zawartości węgla całkowitego, a zmiana długości fali promieniowania nie wpływa na przebieg jej zmienności. Rys. 8. Moc promieniowania dla kolejnych próbek popiołu przy różnych długościach fali: a) λ = 1300 nm, b) λ = 1600 nm, c) λ = 1100 nm, d) λ = 900 nm, λ = 700 nm, λ = 500 nm Fig. 8. Optical power for different samples of fly ash at different wavelength radiation: a) λ = 1300 nm, b) λ = 1600 nm, c) λ = 1100 nm, d) λ = 900 nm, λ = 700 nm, λ = 500 nm 5. Wnioski Przedstawione wyniki pomiarów pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków: a) największe zmiany mocy promieniowania rozproszonego przez popiół lotny występują dla niewielkich zmian zawartości części palnych (do kilkunastu procent, na podstawie charakterystyki przedstawionej na rysunku 6), co umożliwia wykorzystywanie omawianego systemu pomiarowego w elektrowniach zawodowych,

7 b) moc optyczna promieniowania rozproszonego przez badane próbki, zależy nie tylko od zawartości części palnych lecz także od samego paliwa, co może wymagać częstej kalibracji systemu pomiarowego, c) dynamika zmian mocy optycznej zależy od długości fali promieniowania, d) zmiana rodzaju spalanego paliwa nie wpływa znacząco na kształt charakterystyk spektralnych w badanym zakresie pomiarowym, e) współspalanie biomasy z pyłem węglowym może być przyczyną dodatkowych błędów pomiarowych przy określaniu zawartości węgla całkowitego TC w opisywanej metodzie pomiarowej, f) duże tłumienie wykorzystanego światłowodu uniemożliwia analizę pomiarów w zakresie nm. Alternatywnym rozwiązaniem dla wykorzystanego analizatora widma mógłby być spektrometr FTIR z otwartą ścieżką optyczną, co przyczyniłoby się do zwiększenia dokładności pomiarów [6,8]. 6. Adnotacje na temat finansowania Prace badawcze prowadzone w ramach grantu System sterowania procesem spalania w kotle energetycznym 3110/B/T02/2008/ Literatura [1] Gilewski M.: Comparison of the measuring techniques used in UV-VIS spectrometers; Przegląd Elektrotechniczny, 5/2007, s [2] Golec T.: Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych; Energetyka, No , s [3] Gołaś J., Jankowski H., Niewczas B., Piechna J., Skiba A., Szkutnik W., Szkutnik Z., Wartak R., Worek C.: Optoelektroniczny system ciągłego pomiaru pozostałości węgla w popiołach energetycznych; Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne. Komisja Metrologii Oddziału PAN w Katowicach, Gliwice, [4] Natkaniec H., Sikora T., Sobierajski W., Wojtowicz C., Świąder M.: Miernik właściwości mieszanin powietrzno-węglowych; Energetyka, 12/2003, s [5] Rubio B., Izquierdo M. T., Mayoral M. C., Bona M. T., Martinez-Tarazona R. M.: Preparation and characterization of carbon-enriched coal Fly ash; Journal of Environmental Management, Volume 88, Issue 4, pp [6] Wójcik W., Cięszczyk S., Kisała P., Komada P.: Analiza widm emisyjnych procesów spalania jako zagadnienie odwrotne w pomiarach pośrednich; Pomiary Automatyka Kontrola, 02/2009, s [7] Wójcik W., Popiel P., Ławicki T.: Analiza wzrostu zawartości części palnych w popiele i żużlu przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym; Polska inżynieria środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej, Polska Akademia Nauk Komitet Inżynierii Środowiska, tom 3, Lublin [8] Wójcik W., Cięszczyk S., Kisała P., Komada P.: Pomiary widm procesów spalania z wykorzystaniem spektrometru FTIR; Elektronika, 6/2008, s