OPTYCZNY SYSTEM POMIARÓW CIĄGŁYCH EMISJI PENTOL-CODEL

Wrzesień 2008 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 OPTYCZNY SYSTEM POMIARÓW CIĄGŁYCH EMISJI PENTOL-CODEL 1. POMIAR OPTYCZNY IN SITU W PORÓWNANIU Z INNYMI METODAMI POMIAROWYMI. Stosowana obecnie nowoczesna aparatura do monitoringu emisji dzieli się na dwie zasadnicze grupy ze względu na miejsce dokonania pomiaru: metodę "in situ", tzn. w strumieniu przepływających spalin; metodę ekstrakcyjną, tzn. z poborem próbki ze strumienia spalin i przetłoczeniem jej do urządzenia pomiarowego. Skład mierzonego gazu określany jest drogą pomiaru jego własności fizykochemicznych. Jednym z uznanych sposobów jest pomiar własności optycznych (stopnia pochłaniania promieniowania widzialnego, podczerwonego lub ultrafioletowego o określonej częstotliwości) przy zastosowaniu zarówno metody "in situ", jak i ekstrakcyjnej. Obie wspomniane wyżej metody pomiarowe są powszechnie dopuszczone do stosowania, jednakże dobrze zaprojektowany pomiar "in situ", zwłaszcza działający na zasadzie optycznej charakteryzuje się istotnymi zaletami, a przede wszystkim: naturalnymi warunkami pomiaru eliminującymi zafałszowanie składu na drodze przepływu i przygotowania próbki; wysoką niezawodnością i minimalizacją czynności obsługowych na skutek braku konieczności stosowania elementów związanych z przesyłem i obróbką mierzonego gazu; uśrednianiem pomiaru wzdłuż osi ścieżki optycznej (dotyczy zwłaszcza pomiaru pyłu, gdzie rozbieżności na szerokości kanału spalin mogą być znaczne); łatwością przeprowadzenia kalibracji najnowsza konstrukcja mierników wielogazowych umożliwia kalibrację zera oraz kontrolę zakresu za pomocą gazów wzorcowych w dowolnym stanie ruchowym opcja ta była wcześniej możliwa tylko w przypadku mierników ekstrakcyjnych; W dalszej części przedstawiono rozwiązania zastosowane w optycznych miernikach in situ produkcji brytyjskiej firmy CODEL INTERNATIONAL, reprezentowanej na rynku polskim przez PENTOL-ENVIRO POLSKA. 2. OPTYCZNE POMIARY ZANIECZYSZCZEŃ GAZOWYCH Opracowane i wdrożone przez CODEL wielogazowe analizatory typu G-CEM 4000 służą do pomiaru SO 2, NO x, CO, CO 2, HCl, pary wodnej i w wykonaniu specjalnym innych gazów. Jeden przyrząd może mierzyć stężenie do siedmiu gazów spośród wymienionych powyżej. Pomiar stężenia gazów wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowania podczerwonego o określonej częstotliwości przez poszczególne gazy. Miernik składa się z głowicy pomiarowej zawierającej elementy nadajnika i odbiornika oraz sondy pomiarowej. Promieniowanie podczerwone przechodzi przez strefę pomiarową sondy i wraca do odbiornika po odbiciu w zwierciadle pokrytym rodem. Strefa pomiarowa jest wypełniona Strona 1 z 8

mierzonym gazem, który przedostaje się do wnętrza sondy przez filtry dyfuzyjne zatrzymujące pył. Wewnątrz odcinka pomiarowego rury kalibracyjnej znajduje się więc gaz odpylony o składzie zgodnym ze strumieniem spalin w kanałach lub kominie. Doświadczenie potwierdza, że dyfuzja gazu przez filtry jest na tyle szybka, że nie zauważa się dodatkowej bezwładności wskazań przy zmianie stężeń mierzonych gazów. Strefa pomiarowa ma długość 0,5 do 1m, a łączna długość sondy wynosi w zależności od wersji 0,6 do 1,8m. Widok analizatora przedstawia rysunek 1. Przestrzeń pomiarowa połączona jest z instalacją powietrza sprężonego (suchego i oczyszczonego). Jego podanie umożliwia całkowite usunięcie spalin z wnętrza rury kalibracyjnej, a więc stworzenie warunków zerowych niezależnie od składu gazów w kanale lub kominie. Procedura kalibracji zera prowadzona jest automatycznie w zaprogramowanych odstępach czasu, lub na życzenie w dowolnym momencie. Jako opcję przewidziano możliwość podłączenia butli z gazami wzorcowymi, co umożliwi przeprowadzenie wraz z kalibracją zera również kontroli wskazań w punktach pracy. Wszystkie mierniki są wyposażone w wyjścia analogowe i cyfrowe do współpracy ze Zintegrowanym Systemem Monitoringu Emisji oraz dwustanowe (sygnalizacyjne). Zastosowany procesor umożliwia wybór czasu uśredniania na czterech definiowanych przez użytkownika poziomach w zakresie od 10 sekund do 30 dni. Dokładność wskazań pomiarów stężeń wynosi 2% wartości mierzonej. Analizator posiada brytyjski certyfikat zgodności z normami monitoringu emisji MCERTS. Rysunek 1 Widok ogólny miernika wielogazowego Codel typ 4000 Sposób zabudowy miernika na obiekcie przedstawia rysunek nr 2. Rysunek 2. Sposób zabudowy analizatora wielogazowego G-CEM 4000 Strona 2 z 8

Analizator zawiera zintegrowane mierniki temperatury i ciśnienia bezwzględnego, co upraszcza połączenia między elementami systemu. Zintegrowany z analizatorem sterownik lokalny (SCU) zawiera procesor miernika, a jednocześnie pełni rolę zasilacza i bufora danych nie tylko dla analizatora gazowego, ale również dla zamontowanego na tym samym obiekcie pyłomierza i ew. przepływomierza. 3. PYŁOMIERZE Przyrządy optyczne do pomiaru stężeń pyłu wykorzystują zjawisko liniowej zależności stopnia pochłaniania (ekstynkcji) światła widzialnego od stężenia pyłu (a ściślej od iloczynu stężenia przez długość ścieżki pomiarowej). Współczynnik proporcjonalności zależy od własności optycznych mierzonego pyłu i z wystarczającą dokładnością można przyjąć, że dla danego rodzaju obiektu, jak np. kotła węglowego, cementowni, spiekalni rud jest wielkością stałą. Musi być on jednakże empirycznie określony w ramach pomiarów kalibracyjnych po zainstalowaniu i wprowadzony do pamięci miernika. Pyłomierz typ D-CEM 2000/2100 jest wyposażony w układ kalibracji punktu zerowego podczas przepływu spalin - a więc może znaleźć zastosowanie również dla procesów ciągłych oraz kominów zbierających spaliny z kilku źródeł emisji. Układ kompensacji zanieczyszczeń powierzchni optycznych zapewnia precyzyjny pomiar również dla niskich poziomów zapylenia. Miernik (rys. 3) składa się z dwóch identycznych zespołów nadajnik-odbiornik i elektronicznego zespołu pomiarowo-sterującego. Źródłem światła są diody elektroluminescencyjne (LED) świecące na przemian. W wybranych przez użytkownika odstępach czasu zostaje zainicjowana procedura kalibracyjna dla zerowego zaczernienia. Każdy z nadajników-odbiorników jest kalibrowany indywidualnie, dzięki czemu w odróżnieniu od innych systemów, zanieczyszczenie układów optycznych jest automatycznie kompensowane. Najnowsza wersja przyrządu umozliwia dodatkowi weryfikację wskazań w wybranym punkcie zakresu pomiarowego. Przyrząd oferuje możliwość odczytu wartości pomiaru w postaci zaczernienia (w procentach lub jednostkach Ringelmana), ekstynkcji bądź (po wprowadzeniu charakterystyki) - stężenia pyłu, mierzonego w miligramach na rzeczywisty lub normalny metr sześcienny. Charakterystyka określana jest empirycznie podczas pomiarów kontrolnych, wykonywanych metodą grawimetryczną. Zakres wskazań ustawiany jest indywidualnie w zależności od spodziewanego poziomu zapylenia. Dokładność wskazań wynosi 0,2% zaczernienia. Rysunek 3. Sposób montażu pyłomierza typ G-CEM2000. Strona 3 z 8

4. POMIAR / OBLICZANIE PRZEPŁYWU SPALIN Dla uzyskania wartości emisji bezwzględnej (w jednostkach masy na jednostkę czasu) niezbędna jest znajomość, oprócz wartości stężeń, również wartości przepływu spalin. Tradycyjne pomiary przepływu obarczone były dużą zawodnością z uwagi na wysoką temperaturę i duże zanieczyszczenie medium. Firma CODEL stosuje nie wymagającą kontaktu ze spalinami metodę korelacji poprzecznej. Prędkość przepływu mierzonego gazu jest określona (rys. 4) w funkcji czasu przepływu identyfikowanych przez procesor miernika naturalnych zaburzeń promieniowania podczerwonego w strudze spalin między punktami pomiarowymi o znanej odległości. Miernik V-CEM 5000 składa się z dwóch odbiorników mierzących natężenie promieniowania podczerwonego przepływającego gazu oraz procesora. Zakres pomiarowy może być ustawiany od 1do 50 m/s, dokładność wskazań wynosi 2%. Drugi czujnik Pierwszy czujnik Proste procedury matematyczne realizowane w mikroprocesorze pozwalają obliczyć czas przepływu odpowiadający maksymalnemu nałozeniu się sygnałów z obu czujników. Rysunek 4. Zasada działania i typowa konfiguracja przepływomierza spalin typ V-CEM 5000 Jako alternatywę dla bezpośredniego pomiaru przepływu spalin Pentol proponuje obliczanie przepływu. Opracowano kilka alternatywnych wariantów algorytmu obliczeń w zależności od rodzaju kotła oraz uzgodnień z Użytkownikiem i Władzami Ochrony Środowiska. Metoda obliczeniowa jest znacznie tańsza od pomiaru przepływu. 5. POMIARY WYMAGANE PRZY SPALANIU PALIW ALTERNATYWNYCH Pentol oferuje systemy monitoringu emisji w najszerszym zakresie wymaganym w Załączniku 6 do Rozporządzenia Ministra środowiska z dn. 23.12.2004r. w sprawie pomiarów wielkości emisji (Dz.U. nr 283, poz. 2842), a więc dla instalacji spalania lub współspalania odpadów. Oprócz SO 2, NOx, CO, CO 2 i współczynnika wilgotności, wymagany jest jeszcze pomiar następujących substancji gazowych: - HCl mierzonego za pomocą analizatora Codel G-CEM 4000; - HF mierzonego za pomocą optycznego analizatora spalin In situ Norsk Elektro ptikk LaserGas; - Substancji organicznych w postaci gazów i par wyrażonych jako całkowity węgiel organiczny mierzonych za pomocą analizatora Thermo-FID MK. Pentol zainstalował w ostatnim okresie rozszerzone systemy monitoringu emisji w trzech cementowniach. Strona 4 z 8

6. ZINTEGROWANY SYSTEM MONITORINGU EMISJI W wielu obiektach energetycznych i przemysłowych istnieje, bądź będzie w niedalekiej przyszłości istniała konieczność zainstalowania zestawu mierników do pomiaru emisji zanieczyszczeń. PENTOL-CODEL oferuje sprawdzone rozwiązanie w postaci Inteligentnego Systemu Monitoringu Emisji. Opis poszczególnych elementów systemu i przykładowe konfiguracje przedstawiono poniżej. Typowe konfiguracje systemu W przypadku zabudowy systemu na kominie lub kanale ewakuującym spaliny z całego kotła, konfiguracja zakłada rozmieszczenie zestawu mierników na każdym kominie (kanale) ze wspólną jednostką centralną i komputerem. Typową konfigurację systemu monitoringu emisji dla kominów lub kanałów spalin przyporządkowanych jednemu lub kilku kotłom (bądź innym źródłom emisji) przedstawia rys. 5. Jest to konfiguracja maksymalna, obejmująca zakres pomiarów jak dla instalacji spalania lub współspalania odpadów. Dla instalacji energetycznego spalania paliw należy pominąć pomiary wymienione powyżej w rozdziale 5. Pojemność systemu umożliwia podłączenie do 12 grup pomiarowych. 4000 4000 O2 GCC O2 GCC 2000 2000 5000 5000 HF FID SCU HF FID SCU Objaśnienia: 4000 analizator optyczny in situ wielogazowy Codel G-CEM4000 GCC sterownik kalibracji O2 tlenomierz cyrkonowy 2000 pyłomierz optyczny Codel D-CEM2000 5000 przepływomierz optyczny spalin V-CEM5000 SCU sterownik lokalny FID analizator całkowitego węgla organicznego JCT typ Thermo FID MK HF analizator optyczny In situ LaserGas Rysunek 5. Przykładowa Konfiguracja Zintegrowanego Systemu Monitoringu Emisji dla dwóch kominów System zapewnia normalizację wielkości mierzonych. Parametrami normalizującymi są: temperatura, ciśnienie, wilgotność i zawartość O 2. Wilgotność spalin mierzona jest w mierniku wielogazowym, pozostałe wielkości za pomocą mierników zewnętrznych. Wartości stężeń mogą Strona 5 z 8

być alternatywnie przedstawione w postaci mg/m 3 lub mg/nm 3, w przeliczeniu na stałą zawartość O 2 i/ lub na spaliny suche. Cyfrowa magistrala danych służy do zapewnienia dwukierunkowej transmisji danych między elementami systemu a jednostką centralną. Dla zapewnienia prawidłowej pracy systemu wystarczające jest połączenie w szereg (w dowolnej konfiguracji) wszystkich elementów systemu czterożyłowym przewodem ekranowanym. Zapewnia to znaczną oszczędność przewodów, zwłaszcza w przypadku rozczłonkowania przyrządów w terenie. Długość magistrali danych może wynosić (w wykonaniu standardowym) do jednego kilometra. Sterownik Centralny (CDC) umożliwia dwukierunkową komunikację pomiędzy wchodzącymi w skład systemu miernikami i modułami a komputerem. Elementami łączącymi są: w kierunku obiektu - magistrala danych i sterowniki lokalne (SCU), a w kierunku komputera - standardowe złącze szeregowe RS232C. Komputer systemowy to standardowy komputer kompatybilny z IBM PC, wyposażony w procesor Intel Dual Core lub równorzędny, z dwoma dyskami twardymi umożliwiającymi rejestrację i bezpieczne przechowywanie danych przez 5 lat, kolorowym monitorem oraz dowolną drukarką atramentową lub laserową. Ostatnio CODEL wprowadził zaktualizowaną wersję oprogramowania, jeszcze bardziej rozszerzającą możliwości systemu, zwłaszcza w zakresie wizualizacji i weryfikacji danych oraz pracy w sieci. Oprogramowanie SmartCEM w najnowszej wersji dla Windows jest napisane w oparciu o nowoczesny pakiet programowania DELPHI 7. Oprogramowanie to przewidziane jest do pracy w środowisku WINDOWS XP Pro/Vista Business. W skład oprogramowania IEM dla Windows wchodzą cztery pracujące równocześnie programy. Program 1 (CEMComm)- obsługa komunikacji i gromadzenia danych Program ten służy do komunikowania się z CDC i odczytywania danych pomiarowych. Dane te są następnie zapisywane na dysku twardym w standardzie bazy danych w formacie Paradox 5.0. Wykorzystanie tej standardowej bazy danych daje wiele korzyści i wychodzi naprzeciw obowiązującym w świecie informatyki trendom. Baza danych dostarcza wielu mechanizmów, pozwalających na łatwe wprowadzanie i przetwarzanie danych w celu pozyskiwania z nich interesujących użytkownika informacji. W programie jest przewidziane zastosowanie kompresji gromadzonych danych. Dane mogą być przechowywane przez co najmniej 5 lat wstecz. Istnieje możliwość tworzenia zapasowej kopii danych. Program 2 (SmartCEM) - analiza danych System umożliwia jednoczesne wyświetlenie na ekranie monitora aktualnych wartości wszystkich pomiarów należących do wybranej grupy. Wartości te mogą być - zależnie od decyzji użytkownika: przedstawione w postaci znormalizowanej lub bezpośrednio mierzonej bieżąco uśredniane w jednym z czterech uprzednio zdefiniowanych przedziałach czasu wyrażone w jednostkach stężenia lub emisji. Poniżej na rysunku 6 przedstawiono przykładowy wydruk. Oprogramowanie umożliwia również dwukierunkową komunikację ze wszystkimi należącymi do systemu miernikami celem zmiany nastaw lub prowadzenia diagnostyki. Dane diagnostyczne pozwalają na precyzyjne określenie poprawności działania przyrządów, a w przypadku usterki na dokładne określenie rodzaju uszkodzenia. Dane te są także zapisywane w pamięci dyskowej komputera co daje możliwość pełnej analizy serwisowej urządzeń monitoringu nawet po pewnym czasie. Modem wraz z oprogramowaniem zainstalowany w komputerze monitoringu umożliwia zdalne sprawdzanie poprawności działania pracy analizatorów lub lokalizacji usterek, co pozwala na prowadzenie działań profilaktycznych i osiągnięcie prawie stuprocentowej dyspozycyjności systemu. Praca w trybie "Historycznym" System umożliwia odtworzenie przebiegu każdej rejestrowanej wielkości pomiarowej, w dowolnym przedziale czasowym w okresie objętym rejestracją. Oprócz odwzorowania graficznego (w postaci wykresu) można za pomocą kursora wyświetlać kolejne wartości średnie w analizowanym przedziale czasu odczytując je co 1 min lub co 10 min. Przebiegi graficzne mogą być prezentowane we wszystkich dostępnych w systemie jednostkach i stałych czasowych Strona 6 z 8

uśredniania. Wykres pozwala na oglądanie trendu bieżących wartości. Przykładowe wydruki przedstawiono na rysunku 7. Rysunek 6. Wydruk ekranu w trybie "Na żywo" Rysunek 7. Wydruki ekranu w trybie "Historycznym" Strona 7 z 8

Program 3 (PCEMRaport) Pakiet Oprogramowania Zintegrowanego Systemu Monitoringu Emisji zawiera opracowany przez Pentol program PCEMRaport służący do sporządzania okresowych raportów emisji zanieczyszczeń. Są to raporty służące do przedstawiania zmierzonej lub wyliczonej na podstawie podanych algorytmów emisji zanieczyszczeń wprowadzonych do powietrza. Forma, treść raportów i sposób ich generowania jest tak skonstruowany aby spełnić wymagania zawarte w obowiązujących przepisach. Program składa się z czterech podstawowych części, krótko opisanych poniżej: Raport emisji Jest to raport służący do przedstawiania zmierzonej lub wyliczonej na podstawie podanych algorytmów emisji zanieczyszczeń wprowadzanych do powietrza wyrażonych bądź w jednostkach masy (kg/h) lub w jednostkach stężenia (mg/nm 3 gazów suchych odniesionych do tlenu standardowego charakterystycznego dla danego rodzaju paliwa). Okresem raportu może być doba, tydzień, miesiąc, kwartał, rok lub dowolny inny wybrany przez użytkownika przedział czasowy. Raport może obejmować jedno lub kilka źródeł emisji podłączonych do wspólnego emitora. Może także obejmować wszystkie źródła emisji na których są prowadzone pomiary ciągłe w danym zakładzie tworząc raport zakładu. Po każdej zmianie przepisów dotyczących treści raportów emisji Pentol opracowuje odpowiednia aktualizację oprogramowania. Raport przekroczeń Raport przekroczeń jest wykazem zanieczyszczeń wprowadzanych do atmosfery, które przekroczyły wartości dopuszczalne. W części drugiej przedstawiony jest wykaz przekroczeń dla średnich godzinowych rozpatrywanych w przedziale 48 godzin dla każdego dnia kalendarzowego w ciągu roku. Raport przekroczeń rocznych Raport ten służy do wyliczania emisji rocznych podanych w Mg/rok i porównania ich z emisją dopuszczalną wyrażoną również w Mg/rok. Odnosi się on do roku kalendarzowego i może być generowany tylko po jego zakończeniu. Raport przekroczeń rocznych może być wykonany zarówno dla pojedynczego źródła jak i dla emitora czy całego zakładu. Listing danych Ta część raportu nie jest wprawdzie wymagana przez obowiązujące przepisy, może być jednakże przydatna do analizy przebiegów wielkości emisji w czasie stanów awaryjnych, optymalizacji procesów, pomiarów kontrolnych lub innych zjawisk podlegających ocenie. Raport ten daje możliwość wylistowania danych dla wybranej grupy analizatorów za dowolnie wybrany przedział czasu oraz zapisanie go formacie arkusza kalkulacyjnego MS Office Excel. Dane te będą wyrażone w wybranych jednostkach, wybranej stałej czasowej uśredniania i edytowane w wybranych odstępach czasowych. Program 4 (PCEMDane) konwersja danych Integralną częścią programu raportującego jest program PCEMDane służący do konwersji danych jednominutowych na średnie jednogodzinne lub półgodzinne w zależności od typu instalacji spalania paliw i zapisów w aktach prawnych dotyczących standardów emisyjnych (Dz. U. Nr 260, poz. 2181 z 2005r.) oraz wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji (Dz. U. Nr 283, poz. 2842 z 2004r.) Przekonwertowane przez program PCEMDane wartości średnich jednominutowych wykorzystywane są w programie PCEMRaport do tworzenia raportów emisji, przekroczeń oraz Listingu danych. Rozbudowa systemu Konstrukcja zainstalowanego systemu umożliwia jego późniejszą rozbudowę o dalsze grupy i jednostki pomiarowe, co wymaga jedynie przyłączenia nowych mierników do cyfrowej magistrali danych oraz korekty konfiguracji systemu za pomocą klawiatury komputera. Strona 8 z 8