Vývoj nízkonákladového kontinuálního měřidla emisí „EmiLogger“

Vzhledem ke stále přísnějším emisním limitům začíná být potřeba kontinuálního měření i u menších biomasových, plynových a kogeneračních jednotek. Provozovatel potřebuje detailně znát vliv provozních parametrů na vybrané emise tak, aby správně plnil limity při provozu a garančních měřeních. SVÚM, a.s. v roce 2019 úspěšně vyvinul modulární systém pro měření koncentrace vybraných látek (O₂, NO, NO₂, SO₂, CO...). Příspěvek popisuje základní princip systému a prezentuje data získaná v pilotním provozu na biomasovém kotli. Práce byly provedeny v rámci projektu TAČR TH03030346.

Současné možnosti kontinuálního měření emisí

Hlavní motivací pro vývoj alternativního systému měření emisí spalin je značná poptávka po cenově dostupném řešení kontinuálního měření s dostatečnou přesností. Zejména provozovatelé mešních kotlů a kogeneračních jednotek v současnosti nemají cenově dostupnou alternativu k systémům používaných u velkých zdrojů. Monitoring se omezuje na periodická jednorázová měření. Přitom provozovatel potřebuje detailně znát chování zařízení během různých provozních stavů, aby vyhověl emisním limitům zejména na koncentrace NO_x. Kontinuální měření je žádoucí nejen pro kotle spalující biomasu, ale i pro kotle plynové.

Existuje široká paleta různých metod měření jednotlivých složek ve spalinách. Pokud se zaměříme na měření NO_x, jsou to hlavně:

• Spektroskopické metody (IR): princip je založen na absorpci záření určitých vlnových délek v infračervené oblasti. Tato metoda je velice přesná a univerzální (lze měřit najednou mnoho složek). Největší nevýhodou je ale velmi vysoká cena, která je pro menší provozy zcela nereálná.
• Solid-state elektrochemické senzory NO_x: tento typ čidel byl vyvinut pro automobilový průmysl. Čidla pracují na podobném principu jako známě lambda sondy. Jejich výhodou je montáž přímo do proudu horkých spalin i relativně příznivá cena. Širšímu využití mimo automobilový průmysl brání složitá, a hlavně uzavřená obslužná elektronika, k dalším nevýhodám patří horší selektivita a nižší přesnost.
• Elektrochemické senzory s kapalným elektrolytem: tyto senzory pracují na principu měření rychlosti (proudu) redox reakce zájmové složky v kapalném elektrolytu. Volbou elektrolytu a volbou vhodné selektivní membrány komunikující s prostředím lze dosáhnout vysoké selektivity na danou plynnou složku. Rovněž je dosahováno zajímavých přesností. Senzory jsou dostupné za nízké ceny pro mnoho měřených plynů v různých koncentracích. Nevýhodou těchto senzorů je jejich omezená životnost (uvádí se 2-3 roky). Podle dokumentace výrobců ale tato životnost nesouvisí s dobou expozice senzoru při měření, ale spíše s rychlostí vysychání elektrolytu uvnitř. Je tedy žádoucí příliš senzor nevystavovat zvýšeným teplotám. Elektrochemické senzory jsou široce využívány u přenosných analyzátorů spalin.

Výběr senzorů pro zařízení „EmiLogger“

Oblast plynových senzorů je velmi dynamická a neustále se objevují nové typy. Z tohoto důvodu je vhodné měřící systém koncipovat modulárně a mít možnost v jednom systému kombinovat senzory pracující na různých principech. Pro naše zařízení jsme zvolili tyto metody:

• Měření obsahu kyslíku: zde byl zvolen senzor pracující na principu fluorescence rutheniové komplexní sloučeniny, který se vyznačuje vysokou přesností a téměř neomezenou životností (na rozdíl od senzorů elektrochemických).
• Měření NO, NO₂, SO₂, H₂S, CO: tyto složky je možné měřit komerčně dostupnými elektrochemickými senzory s tekutým elektrolytem. Omezená životnost senzorů vzhledem k jejich ceně nemusí být zásadní problém.
• Orientační a trendové měření uhlovodíků + CO: pro tento účel je možné použít polovodičové senzory na bázi SnO₂. Tato čidla jsou velmi levná a mají vysokou životnost. Značnou nevýhodou je špatná selektivita. Senzory reagují obecně na redukující částice. Lze si ale představit jejich použití pro orientační odhad kvality spalování.

Každý jednotlivý senzor je osazen na speciálně vyvinutím elektronickém modulu s mikroprocesorem. Ke každému senzoru tedy náleží vlastní SW a HW podle typu senzoru společně s kalibrací. Pokud bude senzor nahrazován, bude nový senzor dodáván společně s elektronickým modulem i s provedenou kalibrací. Jednotlivé moduly komunikují pomocí sběrnice RS-485 s centrálním řídícím modulem, který spouští, vyhodnocuje a zpracovává jednotlivá měření.

Princip funkce

Systém pracuje na principu odběru vzorku spalin v periodických intervalech. Malé množství spalin je nasáváno do vzorkovací trati k jednotlivým senzorům. Vzorek spalin je na trase vychlazen v jednoduchém pasivním chladiči. Pro provedení měření je tok invertován, a vzorkovací trať je propláchnuta vzduchem. Na vstupu k senzorům je zařazen flitr tuhých částic a nádoba pro záchyt kondenzátu. Kondenzát (většinou jde o množství v řádu ml), který je zachycen na při odebírání spalin je při proplachu vzduchem vytlačen zpět do kouřovodu.

Použitá pumpa neumožňuje obrácení směru toku atmosféry, proto je v systému využito
dvou trojcestných ventilů. Schéma vzorkovací trati je na obrázku 1.

Pilotní provoz na biomasovém kotli Veolia Energie Kolín – lokalita Vlašim

Ve Vlašimi společnost Veolia provozuje kotel na štěpku o výkonu 1 MW. Tento provoz byl vybrán jako velmi vhodný pro instalaci prototypu měřícího systému EmiLogger. Za spalinovým ventilátorem je umístěna velmi dobře přístupná příruba, na kterou bylo umístěno celé zařízení – v místě je mírný přetlak. Jednotlivé komponenty měřícího systému jsou rozmístěny v běžné elektroinstalační krabici s transparentním krytem (obrázek 2). Měření bylo nastaveno takto: doba vzorkování = doba proplachu = 45 s, interval mezi měřeními = 5 minut.

V současné podobě je systém schopen měřit tyto parametry:

• teplota spalin (ve Vlašimi nevyužito),
• tlak v jednotlivých fázích vzorkování (lze později využít k diagnostice těsnosti případně neprůchodnosti systému),
• O₂ (0-25%),
• NO (0-250 ppm)
• NO₂ (0-30 ppm)

Senzor NO byl zkalibrován pomocí kalibrační směsi, u senzoru NO₂ byla nastavena kalibrační křivka podle jeho dokumentace, přesná kalibrace provedena nebyla. Centrální module je ovládán pomocí dotykového displeje, který zároveň zobrazuje hodnoty jednotlivých měřených složek. Naměřené hodnoty jsou ukládány na FLASH disk, do budoucna budou možnosti rozšířeny o komunikaci MODBUS a odesílání dat na server pomocí GSM či ethernetu. Pro instalaci byla zhotoven speciální plechová montážní deska, která zároveň uzavírá přírubu. Montáž proběhla 19. 12. 2019 (obrázek 3, 4). Na obrázku 5 jsou prezentovány výsledky z dosavadního provozu. Daný biomasový kotel je výkonově velmi flexibilní, podle potřeby dochází k modulaci výkonu i ke krátkým odstávkám. Ty se na záznamu projevují poklesem emisí NO/NO₂ a přirozeně i nárůstem obsahu kyslíku. Na kotli je instalována kyslíková lambda sonda a bylo zjištěno, že měřené hodnoty kyslíku jsou v přesné shodě. Na obrázku 6 jsou tatáž data přepočtena na obsah NO_x pro referenční hladinu kyslíku 11 %. V prosinci 2019 bylo prováděno na kotli autorizované měření emisí, jehož dílčí výsledky jsou uvedeny na obrázku 7. Za pozornost stojí měřené koncentrace NO_x okolo 300 mg/m³, což je opět ve shodě s hodnotami ze systému EmiLogger.

Závěry

• Byl navržen a zrealizován prototyp zařízení pro kontinuální měření emisí.
• Zahájen pilotní provoz na 1 MW biomasovém kotli Veolia – lokalita Vlašim.
• Dosavadní provoz bezúdržbový a bezproblémový.
• Měřená data ve shodě s průběžným měřením kyslíku lambda sondou i s autorizovaným měřením.
• Připravována implementace komunikace MODBUS a příprava pilotních instalací na plynové kotle a kogenerační jednotky.

Jakub Minařík, SVÚM a.s.
Jan Hruška, SVÚM a.s.
Ing. Miroslav Ďuriš
Veolia Energie Kolín, a.s.