BIOGAS ENGINE) Karol Cupiał, Adam Dużyński, Janusz Grzelka

Transkrypt

1 WPŁYW KATALIZATORA OKSYDACYJNEGO NA TOKSYCZNOŚĆ SPALIN SILNIKA GAZOWEGO 8A2G (INFLUENCE OF AN OXIDABLE CATALYZER ON TOXICITY OF EXHAUST GASES FROM THE 8A2G BIOGAS ENGINE) Karol Cupał, Adam Dużyńsk, Janusz Grzelka Poltechnka Częstochowska Katedra Maszyn Tłokowych Technk Sterowana Al. Arm Krajowej 21, 42-2 Częstochowa W pracy omówono wynk badań toksycznośc spaln stacjonarnego slnka gazowego o mocy 65 kw/ 1 obr/mn wyprodukowanego przez H.CEGIELSKI Poznań S.A. uzyskane w Katedrze Maszyn Tłokowych Technk Sterowana Poltechnk Częstochowskej. (Expermental results of toxcty of exhaust gases from the statonary bogas engne power output 65 kw/1 rpm, manufactured by H.CEGIELSKI Poznań S.A., have been presented at ths artcle. Ths expermental research was carred out n The Char Of Internal Combuston Engnes and Control Engneerng Of The Techncal Unversty Of Częstochowa. 1. Skład spaln Produktem spalana palw mneralnych takch jak gaz, palwa napędowe, ropa naftowa lub węgel, oprócz głównych dwutlenku węgla wody są także szkodlwe zwązk take jak: tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) czy tlenk azotu (NO x ). Substancje te są toksyczne dąży sę do ogranczena ch emsj. Zwązk azotu (NO, NO 2, N 2 O) są substancjam nszczącym hemoglobnę człoweka (NO 2 ) wywołują objawy porażena centralnego podrażnając jednocześne płuca prowadząc do ch perforacj. Tlenek węgla jest slne trującym, bezbarwnym bezwonnym gazem, który przy stężenu,3% (objętoścowo) w cągu trzydzestu mnut powoduje śmerć na skutek wązana chemczne tlenu zawartego we krw. Przy stężenu ok.,1% powoduje on chronczne lub ostre zatruce organzmu. Ne spalone węglowodory wydalane ze spalnam ne stanową bezpośrednego zagrożena dla otoczena. Powodują jednak slne podrażnene śluzówk nosa oczu. Ponadto, wraz z tlenkam azotu przy ntensywnym nasłonecznenu otoczena bezwetrznej pogodze przyczynają sę do powstawana smogu. 2. Normy toksycznośc spaln slnka gazowego Rzeczywste stężene substancj toksycznych w spalnach stacjonarnego tłokowego slnka spalnowego zależy od jego konstrukcj, nastaw regulacyjnych od obcążena. Stężena dopuszczalne poszczególnych substancj toksycznych są w różnych krajach rozmace defnowane mają różne wartośc lczbowe.

2 Przepsy prawne ustalają przede wszystkm wartość emsj welkośc gazowych: tlenków węgla CO, nespalonych węglowodorów HC, tlenków azotu NO x a także cząstek stałych PM wydzelanych w spalnach. Dla slnków wysokoprężnych eksploatowanych na lądze wodze a zaslanym palwem płynnym (za wyjątkem slnków samochodowych lotnczych) projekt europejskej normy EN :1998 Tłokowe slnk spalnowe bezpeczeństwo cześć 1, ustala granczne wartośc emsj substancj toksycznych przedstawone w tabel 1. W tym przypadku warunk pomaru określa norma EN ISO , która dla slnków stacjonarnych napędzających generatory elektryczne przewduje pomary przy obcążenu zmennym wg programu testu D1 D2. Tablca 1. Wartośc granczne emsj substancj toksycznych wg EN :1998 (Table 1. Lmts of toxc emsson accordng to EN :1998) Moc efektywna [kw] CO [g/kwh] HC [g/kwh] NO x [g/kwh] PT [g/kwh] 37«P<75 6,5 1,3 9,2,85 75«P<13 5, 1,3 9,2,7 13«P<56 5, 1,3 9,2,54 W Polsce jednostkową emsję zwązków toksycznych spaln z układu wylotowego slnka samochodowego z zapłonem samoczynnym określa norma BN-84/ Slnk samochodowe z zapłonem samoczynnym. Emsja zaneczyszczeń gazowych. Wymagana badana. Wartośc dopuszczalne przedstawono w tabel 2. Tablca 2. Wartośc granczne emsj substancj toksycznych wg BN-84/ Table 2. Lmts of toxc emsson accordng to BN-84/ ) Substancja CO HC NO x [g/kwh] [g/kwh] [g/kwh] Emsja granczna 14, 3,5 18, Dla slnków gazowych w Polsce w Europe dotychczas ne zostały ustalone granczne wartośc emsj jednostkowej [g/kwh]. W Nemczech nnych krajach granczne wartośc emsj substancj toksycznych określa sę w g/m 3 na podstawe przepsów TALuft- 86. Wartośc normatywne zostały zestawone w tabel 3. Warunk pracy slnka (czas, obcążene) w czase pomarów ne są w tych przepsach jednoznaczne ustalone. Zazwyczaj pomary przeprowadza sę w warunkach ustalonej pracy slnka pod pełnym obcążenem. 3. Test toksycznośc spaln Dla stacjonarnego slnka o stałej prędkośc obrotowej według normy ISO/DIS najbardzej odpowedn jest test D2 (generatng sets wth ntermttent load) lub test D1 (Power plants). Parametry tych testów zestawono w tablcy 4.

3 Tablca 3. Welkośc normatywne emtowanych substancj toksycznych przez stacjonarne slnk gazowe wg TALuft-86 (Table 3. Standard values of toxc emsson of statonary bogas engnes accordng to TALuft-86) Typ slnka Wartość granczna wg TA-Luft Slnk gazowy z ZI 4-o suwowy NO x <,5 g/m 3 (5% O 2 ) CO <,65 g/m 3 (5% O 2 ) NMHC <,15 g/m 3 (O 2 - rzeczywste) Slnk gazowy z ZI 2-o suwowy NO x <,8 g/m 3 (5% O 2 ) CO <,65 g/m 3 (5% O 2 ) NMHC <,15 g/m 3 (O 2 - rzeczywste) Slnk gazowy z ZS 4-o suwowy NO x <,5 g/m 3 (5% O 2 ) CO <,65 g/m 3 (5% O 2 ) NMHC <,15 g/m 3 (O 2 - rzeczywste) PM <,5 g/m 3 (O 2 - rzeczywste) Określene Tablca 4. Parametry testu D2 D1 wg ISO/DIS (Table 4. Parameters of D2 and D1 test accordng to ISO/DIS ) Faza cyklu Faza cyklu TEST D2 % obcążena momentem obrotowym Współczynnk wag,5,25,3,3,1 TEST D1 % obcążena momentem obrotowym Współczynnk wag,3,5,2 Dla każdej fazy pracy slnka dokonuje sę pomarów stężena głównych składnków toksycznych spaln: CO, CO 2, HC, NO x określa sę w nch zawartość tlenu. Przepsy zalecają dokonywana poszczególnych pomarów z wykorzystanem nżej wymenonych typów analzatorów: NDIR analzator nedyspersyjny (non-dspersve nfra-red) do pomarów CO CO 2 ; FID analzator płomenowo - jonzacyjny (flame onzaton detector) do pomarów węglowodorów HC; CLA analzator chemlumnescencyjny (chemlumnescent analyzer) do pomarów tlenków azotu NO x PMD, ECS, ZRDO analzatory do pomaru O 2 (Paramagnetc Detector, Zrconum Doxde Sensor, Electrochemcal Sensor).

4 Po przeprowadzenu pomarów oblczana jest jednostkowa emsja poszczególnych substancj toksycznych jako średna ważona wg zależnośc: e = 1 = n n ( E x U ) ( N e U ) = 1 gdze: N e [kw] moc użyteczna slnka w -tej faze; U [-] współczynnk udzału pracy w -tej faze, E X [g/h] emsja X-substancj w -tej faze., 4. Aparatura pomarowa Toksyczność spaln merzono za pomocą zestawu analzatorów spaln frmy SIGNAL (NO x chemolumnescencyjny, THC płomenowo-jonzacyjny, O 2 paramagnetyczny, CO podczerweń) jako średną ważoną wynków pomarów uzyskanych w warunkach ustalonej pracy slnka pod obcążenem zmenanym wg programu pęcostopnowego testu D2 D1 przeznaczonego dla stacjonarnych zespołów prądotwórczych załączanych okresowo. Emsję substancj toksycznych oblczano wg ISO jako średną ważoną dla całego cyklu. System analzatorów spaln frmy SIGNAL przedstawono na rys. 1. Rys. 1 System analzatorów spaln frmy SIGNAL (Fg. 1. An exhaust-gas analyzer product by the frm SIGNAL)

5 5. Stanowsko pomarowe Badanom poddano eksploatowany w oczyszczaln śceków PSW WARTA w Częstochowe prototypowy slnk gazowy 8A2G. W układze wylotowym slnka zamontowano katalzator oksydacyjny typu DC18. Na rys. 2 przedstawono schemat tego katalzatora usytuowane punktów pomaru toksycznośc spaln. 6. Wynk badań toksycznośc spaln Badana składu spaln prowadzono z zamontowanym katalzatorem oksydacyjnym w układze wylotowym. Zmerzoną emsję substancj toksycznych zestawono na rysunkach 3 6, a na rysunku 7 przedstawono zmany temperatury przed za katalzatorem. Jako moc maksymalną w teśce D2 przyjęto 6 kw mocy elektrycznej zmerzonej na zacskach generatora elektrycznego współpracującego z slnkem gazowym, co odpowada 65 kw mocy efektywnej slnka gazowego.

6 Rys. 2. Schemat katalzatora oksydacyjnego mejsca poboru spaln do analzy. (Fg. 2. A scheme of an oxdable catalyzer wth the pont of takng out exhausts gases) 7 6 Stężene CO [ppm] Przed katalzatorem Za katalzatorem 1,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Rys. 3. Zawartość tlenku węgla (CO) w spalnach slnka 8A2G przed za katalzatorem. (Fg. 3. CO content of both catalyzed and non-catalyzed exhaust gases of the 8A2G bogas engne) 25 Stężene NO x [ppm] Przed katalzatorem Za katalzatorem,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Rys. 4. Zawartość tlenku azotu (NO x) w spalnach slnka 8A2G przed za katalzatorem. (Fg. 4. NO x - content of both catalyzed and non-catalyzed exhaust gases of the 8A2G bogas engne)

7 7 6 Stężene NMHC [ppm] Przed katalzatorem Za katalzatorem 1,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Rys. 5. Zawartość węglowodorów (NMHC) w spalnach slnka 8A2G przed za katalzatorem. (Fg. 5. NMHC content of both catalyzed and non-catalyzed exhaust gases of the 8A2G bogas engne). 7 6 Stężene THC [ppm] Przed katalzatorem Za katalzatorem 1,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Rys. 6. Zawartość węglowodorów (THC) w spalnach slnka 8A2G przed za katalzatorem. (Fg. 6. THC content of both catalyzed and non-catalyzed exhaust gases of the 8A2G bogas engne).

8 7 6 5 T sp [ o C] 4 3 Przed katalzatorem Za katalzatorem 2 1,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Rys. 7. Temperatura spaln slnka 8A2G przed za katalzatorem. (Fg. 7. An exhaust gas temperature n front and after the catalyzer). Na rys. 8 porównano jednostkowe emsje substancj toksycznych emtowanych przez badany slnk gazowy przeprowadzone dla pełnej mocy slnka gazowego (ok. 65 kw) a lczone wg normy TALuft-86. Jednostkowa emsja CO, NO x, NMHC [g/m 3 ] 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Norma eco =,65 Norma enox =,5 Norma enmhc =,15 CO NOx NMHC Rys. 8. Porównane jednostkowych emsj CO, NO x, NMHC oblczonych wg normy TALuft-86: P badana przed katalzatorem, Z badana za katalzatorem oksydacyjnym. (Fg. 8. Comparson of elementary emssons of CO, NO x and NMHC calculated accordng to TALuft-86: P montorng n front of the catalyzer, Z montorng after the catalyzer). Wynk przedstawone na rysunku 8 zestawono w tabel 5 porównując je z odpowednm wartoścam normatywnym.

9 Tablca 5. Zestawene emsj substancj toksycznych przez slnk gazowy lczone dla pełnej mocy (ok. 6kW) w śwetle wymogów normy TA-Luft86 (Table 5. Comparson of elementary emssons of CO, NO x and NMHC from the bogas engne at full load (6kW) wth TALuft-86 requrements). Norma TALuft-86 Zwązek toksyczny Przed katalzatorem Za katalzatorem Wartość dopuszczalna g/m n 3 g/m n 3 g/m n 3 CO,931,4818,65 NO x,4684,4617,5 NMHC,114,85,15 7. Podsumowane Slnk gazowy 8A2G bez katalzatora spełna wymog TALuft 86 w zakrese emsj tlenków azotu węglowodorów, natomast newelke przekroczena tych wymogów jeszcze występują w zakrese emsj tlenku węgla. Po zastosowanu katalzatora oksydacyjnego emsja tlenku węgla obnżyła sę o ok. 5%, emsja węglowodorów nemetanowych uległa obnżenu o ok. 25%, a emsja tlenków azotu ne uległa stotnym zmanom. Slnk 8A2G wyposażony w katalzator oksydacyjny spełna wymog TALuft-86 w zakrese emsj gazowych substancj toksycznych. Lteratura 1. Normy krajowe mędzynarodowe z zakresu toksycznośc spaln. 2. Cupał K., Mendera K., Dużyńsk A., Grzelka J.: Bogazowy zespół prądotwórczy o mocy elektrycznej 6 kw z utylzacją cepła. Materały Mędzynarodowej Konferencj Slnkowej "KONES'99". JOURNAL OF KONES - INTERNAL COM- BUSTION ENGINES - Warszawa - Zakopane s.3-37, rys.4, tabl.2, poz.bbl Cupał K., Dużyńsk A., Grzelka J.: Stanowsko badawcze w słown bogazowej., Materały konferencyjne IV Mędzynarodowej Konferencj Naukowej SILNIKI GAZOWE'97 - konstrukcja, badana, eksploatacja. s.47-58, rys.13, poz.bbl.4. Poltechnka Częstochowska, Sera Konferencje 19. Częstochowa