Krzysztof Filipowski PENTOL - ENVIRO POLSKA Sp. z o.o. Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków Tel. +48 12 686 36 86, fax +48 12 686 11 01 www.pentol.pl, e-mail: pentol@pentol.pl Monitoring zanieczyszczeń pyłowych za wysokosprawnymi urządzeniami odpylającymi w świetle obowiązujących przepisów 1. Wstęp Poziom emisji pyłu jest jednym z podstawowych kryteriów szkodliwości dla środowiska zarówno kotłów jak i innych obiektów przemysłowych, zwłaszcza metalurgicznych i cementowych. Praca urządzeń odpylających musi być nadzorowana, co oznacza konieczność ciągłego pomiaru stężenia pyłu. Pomiar taki jest również niezbędny do rozliczeń z tytułu opłat za emisję. Poniżej przedstawiono (bez intencji wyczerpania tematu) najczęściej stosowane techniki ciągłego pomiaru stężenia pyłu oraz ich zastosowania. 2. Pomiar optyczny stężenia pyłu 2.1 Uwagi ogólne Wspólną cechą pyłomierzy optycznych jest pomiar parametrów optycznych strugi spalin, a następnie ich przeliczanie na wartość stężenia na podstawie empirycznie określonych wskaźników lub charakterystyki. Najczęściej stosuje się pyłomierze ekstynkcyjne (transmisyjne) mierzące przewodność optyczną (rozdział 2.2) Praktyczny zakres wskazań tego typu pyłomierzy mieści się w granicach ok. kilku mg do kilku g/m 3, obejmuje więc pełen zakres stężeń za elektrofiltrami, łącznie ze stanami awaryjnymi. Alternatywnym rozwiązaniem są pyłomierze działające na zasadzie światła rozproszonego (rozdział 2.3). Ich zakres wskazań sięga od wartości poniżej 1 mg do ponad 100 mg/m 3, obejmuje więc jedynie zakres normalnej pracy filtrów workowych i wysokoskutecznych elektrofiltrów, a nie stany awaryjne. 2.2 Pyłomierze ekstynkcyjne (transmisyjne) Pomiar stężenia pyłu dokonywany za pomocą pyłomierza ekstynkcyjnego opiera się na określeniu stopnia pochłaniania (ekstynkcji) wiązki promieniowania w poprzek drogi gazu. Mierniki optyczne podają zazwyczaj, oprócz ekstynkcji, wartość względnego stopnia zaczernienia ("opacity"), przy czym: zaczernienie + przejrzystość = 1 (1) Z kolei wzajemną zależność ekstynkcji i zaczernienia określa wzór Beer-Lamberta: zaczernienie = 1 - e ekstynkcja (2) Warunkiem miarodajności metody optycznej dla określenia emisji cząstek stałych są rozmiary cząsteczek pyłu - zakłada się, że nie powinny być większe niż 20 mikrometrów. Pochłanianie strumienia światła przez cząsteczki stałe zależy zarówno od rozmiarów cząsteczek jak i od długości fali świetlnej. Zwłaszcza zdolność rozpraszania maleje gdy rozmiar cząsteczek jest mniejszy od długości fali światła użytego do pomiaru. Z tego powodu promieniowanie podczerwone jest mniej skuteczne od światła widzialnego do wykrywania cząstek o rozmiarach submikronowych. Światło widzialne nie jest absorbowane przez inne składniki spalin, jak dwutlenek węgla bądź para wodna, zapewnia wreszcie porównywalność wyników z metodą Ringelmana. Stężenie pyłu w gazie C jest wprost proporcjonalne do mierzonej przez przyrząd ekstynkcji E i wyraża się wzorem: C E k l = (3) gdzie l jest długością ścieżki pomiarowej (wewnętrzny wymiar kanału lub komina w miejscu zainstalowania przyrządu), natomiast k jest współczynnikiem proporcjonalności, który należy określić empirycznie przez porównanie wskazań ekstynkcji mierzonej przez przyrząd optyczny z wynikiem pomiaru grawimetrycznego. W przypadku braku wyników pomiaru porównawczego można przyjąć przybliżoną wartość współczynnika k typową dla danego procesu. Przykładowo dla pyłu ze spalania węgla kamiennego w kotle pyłowym bez odsiarczania współczynnik k wynosi ok. 2500.
We wszystkich konstrukcjach pyłomierzy absorpcyjnych dokonuje się prześwietlenia strugi spalin skoncentrowaną wiązką promieniowania widzialnego. Istnieje natomiast istotna różnica we wzajemnym usytuowaniu źródła promieniowania i układu pomiarowego. Najczęściej stosuje się jedno z trzech poniższych rozwiązań: 1. Głowica nadajnika ze źródłem światła po jednej stronie kanału spalin (komina), a głowica odbiornika z układem pomiarowym po przeciwnej stronie. Jest to rozwiązanie najprostsze, zazwyczaj pozbawione możliwości kompensacji zanieczyszczenia optyki, działające poprawnie pod warunkiem utrzymania optyki w stanie czystym lub częstego jej czyszczenia. 2. Zintegrowana głowica nadajnika i odbiornika po jednej stronie, a po przeciwnej stronie głowica z lustrem. Jest to typowe rozwiązanie, posiadające wprawdzie możliwość kompensacji zanieczyszczenia optyki, ale tylko po stronie głowicy. Zakłada się jednakowy stopień zanieczyszczenia po obu stronach, co jest znacznym uproszczeniem i może prowadzić do błędu we wskazaniach. 3. Dwie zintegrowane głowice nadajnika i odbiornika po obu stronach. Rozwiązanie takie daje możliwość kompensacji zanieczyszczenia optyki niezależnie od siebie z każdej strony. Ponieważ to unikalne rozwiązanie potwierdziło w praktyce wysoką dokładność wskazań, omówiono je poniżej na przykładzie rodziny pyłomierzy Codel D-CEM 2000/2100 Miernik składa się z dwóch identycznych zespołów nadajnik-odbiornik i elektronicznego zespołu pomiarowosterującego (rys. 1). Zespoły nadajnik-odbiornik są montowane naprzeciwko siebie na kanale spalin. Zespół elektroniczny zawiera układ zasilania i mikroprocesor do sterowania i przetwarzania sygnału. Rysunek 1. Sposób montażu pyłomierza typ G-CEM 2000. Nadajnik-odbiornik składa się ze źródła światła (diody LED), detektora, układu optycznego z ruchomym lustrem kalibracyjnym i zaworem obrotowym oraz niezbędnego dla sterowania i pomiaru układu elektronicznego. Źródłem światła jest dioda elektroluminescencyjna (LED) modulowana w taki sposób, że w danym momencie tylko jedna z nich świeci. Przełączenie diod odbywa się 37,5 razy na sekundę. System optyczny każdej z głowic jest tak zaprojektowany, że detektor otrzymuje sygnał z własnej diody oraz z przeciwległego nadajnika. Sygnały emitowane z nadajników są elektronicznie modulowane częstotliwością 600 Hz, dzięki czemu można było odstroić odbiorniki od obcych źródeł światła. Dla zabezpieczenia powierzchni optycznych zastosowano układ powietrza zaporowego, nie dopuszczającego do osadzania się cząstek stałych zawartych w przepływającym gazie. Do tego celu stosuje się niewielkie ilości 2 dm 3 /s czystego powietrza o ciśnieniu 0,7 bar. Podczas normalnej pracy głowice są zabezpieczone przez ruchome okna z szybką, opuszczoną w pozycji roboczej. W wybranych przez użytkownika odstępach czasu zostaje zainicjowana procedura kalibracyjna. Podczas kalibracji ruchome okno zostaje na bardzo krótki czas podniesione i wskazania w tym momencie pozwalają stwierdzić różnicę wskazań zaczernienia odpowiadającą zanieczyszczeniu powierzchni optycznych (okien w głowicach). Stwierdzone podczas kalibracji zanieczyszczenie optyki zostaje skompensowane i nie powoduje błędu wskazań pyłomierza. Wartość stwierdzonego zanieczyszczenia zostaje zapamiętana i może być odczytana podczas rutynowej diagnostyki. W przypadku wzrastającego zabrudzenia należy dokonać czyszczenia, a przede wszystkim usunąć przyczynę zabrudzenia optyki z reguły są to zakłócenia w dopływie powietrza zaporowego lub jego niewłaściwa jakość.
Zespół procesora zawiera układ zasilania oraz mikroprocesor do przetwarzania danych z obydwu głowic i formowania sygnału wyjściowego. Przyrząd oferuje możliwość odczytu wartości pomiaru w postaci zaczernienia (w procentach lub jednostkach Ringelmana), ekstynkcji, bądź po wprowadzeniu współczynnika proporcjonalności - stężenia pyłu, mierzonego w miligramach na rzeczywisty lub normalny metr sześcienny. Zastosowany procesor umożliwia swobodny wybór czasu uśredniania w zakresie od 10 sekund do 30 dni. Wersja D-CEM 2000 dostarczana jest jako element systemu ciągłego pomiaru emisji Pentol-Codel (dane transmitowane magistralą szeregową do komputera emisyjnego), natomiast wersja D-CEM 2100 to samodzielny miernik z wyjściem analogowym 4-20mA. 2.3 Pyłomierze na światło rozproszone Opisane w rozdziale 2.2 pyłomierze ekstynkcyjne mierzą energię wiązki światła po przejściu przez pełną ścieżkę pomiarową. W przypadku bardzo małego stężenia pyłu energia mierzona przez detektor jest bliska maksymalnej wartości, przez co rozdzielczość pomiaru jest niska. Z tego powodu pyłomierze ekstynkcyjne nie spełniają Odbiornik Nadajnik Detektor Źródło światła Filtr odniesienia Światło rozproszone Światło emitowane Cząstka pyłu w przestrzeni pomiarowej Rys 2 Schemat optyczny pyłomierza na światło rozproszone swej roli przy stężeniach pyłu rzędu kilku mg/m 3 i niższych. W takim przypadku można wykorzystać zjawisko rozproszenia (będącego sumą załamania, ugięcia i odbicia) światła od cząstek pyłu. Intensywność światła rozproszonego zależy od właściwości optycznych cząstek pyłu, jak również od ich wielkości i kształtu. Prowadzone badania wykazały, że można dobrać taki kąt między osią źródła a osią detektora, że mierzona intensywność światła rozproszonego pozostaje w proporcji do stężenia pyłu w strefie objętej pomiarem. Rys 2 przedstawia schemat optyczny pyłomierza na światło rozproszone na przykładzie miernika Durag D-R 300 [1]. Jak widać z rysunku, kąt miedzy osiami źródła i detektora wynosi 60 0, a strefa pomiarowa znajduje się w odległości ok. 150-300 mm od ściany kanału spalin. Zaletą opisanego typu miernika jest możliwość pomiaru niskich stężeń, natomiast niewątpliwymi wadami brak możliwości pomiaru wysokich stężeń oraz prowadzenie pomiaru jedynie w wąskiej strefie blisko ściany kanału spalin. 3. Pomiar tryboelektryczny emisji pyłu 3.1 Budowa i zasada działania pyłomierza tryboelektrycznego Opisana w niniejszym rozdziale technika pomiarowa wykorzystuje zjawisko tryboelektryczne. Na rys.3 przedstawiono przykładowo przekrój pyłomierza StakGard produkcji firmy Codel.
Tuleja izolacyjna Śruba mocująca Karta czujnika Karta zasilacza Sonda ze stali nierdzewnej obudowa Rysunek 3. Przekrój pyłomierza tryboelektrycznego StakGard Cząsteczki substancji stałych zawarte w strumieniu gazu (spalin, powietrza lub dowolnego gazu procesowego) uderzają o przewodzącą i uziemioną sondę. Zderzenia te powodują powstanie ładunku elektrycznego wywołanego wzajemnym tarciem o siebie materiałów pyłu i sondy. Ładunek Q przekazany przez cząsteczki pyłu do sondy wyniesie: N qn = K mn = K Q = M gdzie: q i ładunek i masa poszczególnych cząsteczek pyłu N K n m n = N mn ilość cząstek uderzających sondy stała określająca zależność między masą a ładunkiem M łączna masa cząsteczek (strumień masy) Jeżeli sonda jest uziemiona, następuje przepływ prądu tryboelektrycznego: (4) I dq dm = = K = K M& (5) dt dt gdzie: M& przepływ masowy Prąd tryboelektryczny jest więc proporcjonalny do przepływu masowego pyłu. Poniżej przedstawiono wpływ własności fizycznych strumienia zapylonych spalin na wartość prądu tryboelektrycznego. Należy podkreślić, że wzory opisujące zjawisko tryboelektryczne różnią się od siebie w zależności od przyjętego modelu. Niniejszy referat opiera się o źródła [2], [3] i [5]. 3.2 Wpływ prędkości cząsteczek Pomiar przepływu masowego powinien być niezależny od prędkości. Klasyczny wzór na prąd tryboelektryczny Ka M& V I = d b (6)
gdzie: Ka - stała materiałowa M& - przepływ masowy cząstek stałych (pyłu) V - prędkość cząstek b - stała przyjmująca wartości w zakresie 1,4 1,9 zależna od charakteru zderzeń cząstek z sondą (elastycznych lub plastycznych) d - średnica cząstek uwzględnia zależność prądu tryboelektrycznego od prędkości. Niektóre źródła [3], [5] podają na podstawie badań empirycznych, że w zakresie prędkości 2-20 m/s zależność od prędkości nie jest istotna przy technicznej dokładności pomiaru, natomiast dla bardzo małych i dużych prędkości własności aerodynamiczne strumienia zapylonych spalin mają wpływ na sposób kontaktu cząstek pyłu z sondą, co może być powodem błędu wskazań. W przypadku jednoczesnego pomiaru emisji pyłu i przepływu (prędkości) spalin, ten ostatni pomiar może być wykorzystany do korekcji wskazań pyłomierza tryboelektrycznego. 3.3 Wpływ wielkości cząsteczek Wzór (4) jest prawdziwy przy założeniu, że wszystkie cząsteczki pyłu są jednakowej wielkości i kształtu, a więc przekazywany ładunek jest proporcjonalny do zarówno powierzchni jak i objętości cząstek pyłu. W rzeczywistości cząsteczki pyłu różnią się kształtem i rozmiarami. Zdolność cząstek do przenoszenia ładunku elektrycznego zależy od ich powierzchni. Zakładając stałą gęstość oraz kulisty kształt cząsteczek o promieniu r, wzór (4) ulegnie modyfikacji [5]. 1 I = K r M& (7) W rzeczywistości, z uwagi na nieregularny kształt cząsteczek pyłu, wartość wykładnika w potędze r jest bliższa zera, a więc wpływ wielkości cząsteczek jest znacznie mniejszy, często praktycznie pomijalny. Ogólnie można przyjąć, że pomiar tryboelektryczny jest bardziej tolerancyjny na zmianę granulacji pyłu niż pomiar optyczny. 3.4 Pomiar składowej zmiennej prądu tryboelektrycznego Technika pomiarów tryboelektrycznych wymaga precyzyjnego pomiaru bardzo małych prądów, rzędu 10-13 A. Układy pomiarowe muszą mieć bardzo staranne skompensowane wpływy skrośne (np. od temperatury) aby uniknąć pływania wskazań. Jedną z dróg rozwiązania tego problemu jest wykorzystanie do celów pomiarowych jedynie składowej zmiennej prądu tryboelektrycznego. Składowa ta mierzy nie przepływ masowy, a fluktuację przepływu [4]. δ i = KM& śr D() t (8) gdzie: δ i - składowa zmienna prądu D () t - wartość odpowiadająca nierównomierności rozkładu gęstości cząsteczek pyłu w strudze spalin (w przypadku laminarnego przepływu spalin o stałej gęstości pyłu D(t)=0 ) Miarodajny pomiar składowej zmiennej możliwy jest więc w przypadku przepływu zaburzonego, ale o możliwie stałym stopniu zaburzenia. Praktyka pokazała, że jest wprawdzie możliwe wykalibrowanie pyłomierza tryboelektrycznego mierzącego składową zmienną w jednostkach przepływu masowego, jednakże jego wskazania będą w znacznie większym stopniu narażone na obiektywny błąd spowodowany zmiennymi warunkami przepływu splin. Z tego powodu nie zaleca się tego rozwiązania do pomiarów emisji do celów rozliczeniowych. 3.5 Zastosowanie pyłomierzy tryboelektrycznych Pyłomierze tryboelektryczne znajdują zastosowanie do optymalizacji pracy urządzeń odpylających, również jako czułe sygnalizatory wszelkich zakłóceń. Praktyka ostatnich lat wykazała, że dla niskich stężeń pyłomierze tryboelektryczne (mierzące składową stałą) mogą znaleźć zastosowanie również w pomiarach emisji do celów rozliczeniowych. W roku 1999 firma Codel otrzymała brytyjski certyfikat MCERTS, przyznawany analizatorom dopuszczonym do stosowania w systemach monitoringu emisji. Certyfikat obejmuje zakres do 30 mg/nm 3. W latach 1997 99 przeprowadzono w brytyjskiej elektrowni Kingsnorth [2] szereg badań skuteczności elektrofiltrów, podczas których wykorzystano zainstalowane na tych samych kanałach spalin pyłomierze produkcji firmy Codel zarówno optyczne jak i tryboelektryczne. Praktyka wykazała poprawność wskazań obu typów pyłomierzy, jednakże w specyficznych przypadkach wskazania pyłomierzy tryboelektrycznych były bardziej miarodajne. Dotyczyło to zwłaszcza przypadku, gdy po zmianie gatunku spalanego węgla drastycznie pogorszyła się jakość spalania (obserwowano wysoką zawartość części palnych w popiele oraz obecność grubych ziaren koksiku o rozmiarach rzędu 100 μm). Pyłomierze optyczne nie wykrywały pików wysokich stężeń grubych cząstek uwalnianych podczas pracy strzepywaczy, natomiast pyłomierze tryboelektryczne (wyposażone w klatki Faradaya) reagowały poprawnie.
4. Przetwarzanie danych pomiarowych W przypadku obydwu omówionych powyżej technik pomiarowych występuje konieczność przetworzenia wielkości pierwotnie zmierzonej (ekstynkcji, prądu tryboelektrycznego) na wartość docelową, tj stężenie lub emisję pyłu. W obu przypadkach konwersja ta dokonywana jest przez układ pomiarowy na podstawie empirycznej charakterystyki, zdjętej na podstawie pomiarów porównawczych. Prawidłowy dobór charakterystyki ma istotne znaczenie dla dokładności wskazań pyłomierza. Należy również wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia stanów pracy monitorowanego źródła emisji, podczas których charakterystyka pyłomierza może przyjąć wartości znacznie odbiegające od typowych. Dobrym przykładem mogą być spaliny z kotła za instalacją odsiarczania, która może pracować lub nie, a w każdym z tych stanów własności pyłu różnią się znacznie. W takich przypadkach układ pomiarowy musi identyfikować właściwy stan pracy i dynamicznie dostosowywać charakterystykę pyłomierza. Proste pyłomierze, posiadające zazwyczaj możliwość wprowadzenia jednej, zazwyczaj liniowej charakterystyki nie sprostają takim zadaniom. Przykładem systemu o dużej wszechstronności i elastyczności w zakresie przetwarzania danych pomiarowych są omówione powyżej pyłomierze Codel D-CEM 2000 będące częścią systemu ciągłych pomiarów emisji Pentol-Codel, który umożliwia zastosowanie różnych algorytmów, zapewniających poprawne działanie pyłomierzy w różnych warunkach pracy: na kotłach opalanych różnymi paliwami, w cementowniach, rafineriach, hutach i innych źródłach emisji. 5. Podstawy prawne pomiarów pyłu do celów monitoringu emisji Podstawowymi aktami prawnymi są Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 w sprawie standardów emisyjnych z instalacji oraz Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska z dnia 23 grudnia 2004 w sprawie wymogów w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji. Rozporządzenia określają dopuszczalne ilości i rodzaje zanieczyszczeń, jak również stawiają wymagania odnośnie pomiarów ciągłych. Dopuszczalne wartości stężenia pyłu w spalinach z instalacji opalanych węglem mieszczą się w zakresie od 50 do 1900 mg/mu 3 w przeliczeniu na 6% O2 w zależności od wieku źródła, wielkości źródła i spalanego paliwa. W myśl aktualnego stanu prawnego obowiązek prowadzenia ciągłych pomiarów wielkości emisji występuje dla: instalacji energetycznego spalania paliw o mocy cieplnej > 100 MW instalacji do spalania lub współspalania odpadów komunalnych/odpadów niebezpiecznych, dla których wniosek o wydanie decyzji złożono przed 28 grudnia 2002r., jeżeli zostały oddane do użytkowania do 28 grudnia 2003r instalacji do spalania lub współspalania odpadów, dla których wniosek o wydanie decyzji złożono po 27 grudnia 2002r. lub które zostały oddane do użytkowania po 28 grudnia 2003r instalacji, w których używane są LZO, z których z jednego emitora wprowadzane są do powietrza LZO w ilości powyżej 10 kg/h w przeliczeniu na emisję całkowitego węgla organicznego Dla instalacji energetycznego spalania węgla o mocy cieplnej równej lub przekraczającej 50 MW normy emisji pyłu są znacznie ostrzejsze i zawierają się w granicach 50 do 350 mg/mu 3 w przeliczeniu na 6 % O2. Sposób wykonywania i oceny wyników pomiarów ciągłych pyłu reguluje norma ISO 10155. Z kolei najbardziej miarodajnym aktem prawnym do celów doboru systemów ciągłego monitoringu emisji jest norma PN-EN-14181,,Emisja ze źródeł stacjonarnych. Zapewnienie jakości automatycznych systemów pomiarowych. W normie określono procedury dotyczące kalibracji, wykazania jakości pomiaru i kontroli sprawności systemu. Norma nakłada także obowiązek wykonywania pomiarów odbiorowych i kalibracyjnych wyłącznie przez laboratoria badawcze posiadające akredytowany system zapewnienia jakości zgodny z PN-EN-ISO/IEC17025,,Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących. 6. Wnioski Pyłomierze różnej konstrukcji znajdują szerokie zastosowanie zarówno do celów monitoringu emisji, jak też do regulacji i optymalizacji pracy wszelkich urządzeń odpylających. Ważny jest właściwy dobór typu pyłomierza w zależności od przeznaczenia, rodzaju pyłu i wymiarów kanału spalin. Praktyka ostatnich lat wskazuje, że pyłomierze tryboelektryczne wraz ze wzrostem doświadczenia w ich eksploatacji oraz trwającym postępem technicznym stale poszerzają zakres zastosowań zwłaszcza do kontroli procesu technologicznego. Ich niewątpliwymi zaletami są: szerszy niż dla pyłomierzy optycznych zakres stężeń i ziarnistości pyłu oraz niska cena. Do celów monitoringu emisji wciąż jednak najczęściej stosuje się aparaturę optyczną. 7. Literatura 1. Prof. Peter Martin Particulate Measurements in Flue Gases wykład na Kongresie Continuous Emission Monitoring for Process Control and Regulatory Compliance, 2-4 maja 1994 r., Ontario, Kanada 2. Steve Wright Report on the Performance of the MonoGard Dust Monitor at Kingsnorth Power Station, Codel International 1999. 3. W.J. Averdieck Particulate Monitoring with Electrodynamic Technology August 1997 4. A.G. Clark Cross-Duct Monitoring of Particulate Emissions by Opacity Fluctuations17/1996 5. David Coe The Characteristic of Tribo-Electric Dust Sensors, Codel International 2000