Analizatory gazowe ekstrakcyjne produkcji japońskiej firmy Fuji Electric

Wprowadzenie
analizator Fuji

Analizator model ZRE, wyprodukowany przez firmę Fuji Electric jest urządzeniem wielokanałowym (do 5 ścieżek pomiarowych, jeżeli jednym z mierzonych gazów jest tlen lub do 4 ścieżek pomiarowych bez pomiaru tlenu).
Dla typowych zastosowań przewidziano analizator z torami pomiarowymi SO2, NOx, CO i O2. Analizator został zaprojektowany, jako podstawowy przyrząd do pomiarów ciągłych dla potrzeb systemów monitoringu emisji dla obiektów energetycznego spalania paliw i posiada certyfikat QAL-1 zgodnie z wymaganiami normy PN-EN14181. Wychodzący z oficjalnego użycia, chociaż wciąż powszechnie stosowany termin NOx oznacza wszystkie tlenki azotu tzn. NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5. Dyrektywa IED wprowadza w zamian pojęcie „NO+NO2”.


Analizator zdolny do pomiaru wszystkich pięciu gazów byłby bardzo skomplikowany i drogi. Analizy dla spalin kotłowych wykazały, że z całości emisji wszystkich tlenków azotu NO stanowi 95%, a 5% NO2 przy pomijalnie małym udziale pozostałych tlenków, dlatego też w wersji podstawowej przewidziano pomiar NO bez pomiaru NO2.
W przypadku gdy niezbędne będzie uwzględnienie rzeczywistego udziału NO2 zostanie zastosowany konwerter NO2 do NO produkcji Fuji zapewniający, że pomiar NO będzie miarodajny dla łącznego stężenia NO+NO2. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce i Unii Europejskiej przepisami stężenie NOx ma zostać przeliczony na NO2.

Zasada działania i budowa

Widok panelu czołowego analizatora, montowanego w obudowie typu Rack o podziałce 19” przedstawia rys. 2. Analizator posiada duży wyświetlacz umożliwiający jednoczesne odczytanie wszystkich mierzonych wartości stężeń oraz klawiaturę pozwalającą na konfigurację wszystkich funkcji miernika.

Przyrząd może wykorzystywać jednocześnie do 4 kanałów pomiarowych wykorzystujących absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w podczerwieni (NDIR).


Budowa kanału pomiarowego pracującego w podczerwieni (NDIR)

Każdy z kanałów mierzących w podczerwieni (rysunek powyżej) składa się ze źródła promieniowania zabudowanego w wirującym cylindrze ze szczeliną, zapewniającym modulację wiązki promieniowania. Zabudowany po przeciwnej stronie w stosunku do źródła podwójny detektor generuje sygnał pomiarowy. Sygnały ten, po wzmocnieniu jest przetwarzany do postaci cyfrowej i wprowadzany do procesora, który na podstawie odpowiednich algorytmów oblicza sygnał stężenia danego gazu.

W opisany powyżej sposób mierzone są stężenia wszystkich mierzonych gazów oprócz tlenu. Poniżej opisano trzy opcjonalne rozwiązania pomiaru O2: elektrochemiczne, cyrkonowe i paramagnetyczne. Wszystkie trzy metody są dopuszczone przez prawo i wybór zależy od parametrów spalin oraz preferencji inwestora.

Dane techniczne analizatora
Zakresy (technika pomiaru) zakres min zakres max
SO2 (podczerwień) 0-200 ppm 0-2000 ppm
NO (podczerwień) 0-200 ppm 0-2000 ppm
CO (podczerwień) 0-200 ppm 0-2000 ppm
O2 0-10 % obj. 0-25 % obj.

Dla każdego z torów pomiarowych można dobrać 2 zakresy pomiarowe. Powyższy dobór jest przykładowy i jest każdorazowo dostosowywany do rzeczywistego zakresu poszczególnych stężeń. Zakresy mogą być przełączane automatycznie.

Charakterystyka czujników  
Liniowość* 1%
Pływanie zera* ≤ 2%/tydzień
Pływanie zakresu* ≤ 2%/tydzień
Powtarzalność* ≤ 0,5%
Czas odpowiedzi t90** ≤ 60s (po przełączeniu źródła próbki)
Przepływ próbki 0,5 - 0,2dm3/min.
Wyjścia analogowe 4 -20mA, 550Ω max.
  0-1V 100KΩ min.
  dwustanowe – do sygnalizacji wysokiego stężenia gazu lub uszkodzenia analizatora
  cyfrowe – w protokole Modbus przez port szeregowy RS485
Temperatura otoczenia 5-45°C
Wilgotność względna otoczenia 0-90%
Obudowa do montażu w szafie lub na stojaku typu ‘rack’ 19” lub do zabudowy w panelu, rozmiar 133 x 483 x 418mm
Masa około 8kg (sam analizator)
Zasilanie 85-264V 50-60Hz, 100W

*) W odniesieniu do wybranego zakresu pomiarowego

**) Bez uwzględnienia toru poboru próbki

Pomiar tlenu (czujnik elektrochemiczny)

Służy do pomiaru stężenia tlenu. Zastosowany detektor ma małe wymiary oraz charakteryzuje się krótkim czasem odpowiedzi i szerokim zakresem dynamicznym.


Zastosowany czujnik tlenu jest to odmiana ogniwa elektrochemicznego, które generuje prąd proporcjonalny do ciśnienia parcjalnego tlenu znajdującego się
w próbce gazu otaczającego membranę.
Molekuły tlenu, przenikając do ogniwa przez nieporowatą membranę teflonową, zachodzą w reakcję chemiczną na katodzie wywołując przepływ prądu na pomiędzy elektrodami. Napięcie pomiędzy elektrodami powstałe na skutek przepływu prądu jest proporcjonalne ciśnienia parcjalnego tlenu w próbce a zatem przy stałym ciśnieniu próbki gazu, jest proporcjonalne do stężenia tlenu w próbce.
Ta wersja czujnika na bazie elektrolitu kwasowego jest praktycznie nieczuła na interferencje skrośne, szczególnie z CO2, CO, CH4 i H2. Czujnik ma wbudowany termistor do kompensacji temperaturowej sygnału wyjściowego.

Budowa czujnika elektrochemicznego tlenu

Pomiar tlenu (analizator cyrkonowy)

Cyrkonowy analizator tlenu pracuje w oparciu o metodę ekstrakcyjną. Zasada pomiaru oparta jest na wykorzystaniu ogniwa cyrkonowego umieszczonego bezpośrednio w próbce mierzonego gazu. Ogniwo to jest podgrzewane do stałej temperatury 800C. Siła elektromotoryczna na jego elektrodach zależy od stężenia tlenu mającego kontakt z nimi i jest opisana wzorem Nernsta:

E = - RT/nF x ln PX/PA
gdzie:
R: stała gazowa
T: temperatura absolutna
F: stała Faradaya
PX: stężenie tlenu w gazie referencyjnym pozostającym w kontakcie z ujemną elektrodą
PA: stężenie tlenu w gazie mierzonym pozostającym w kontakcie z dodatnią elektrodą
Gazem referencyjnym jest powietrze z otoczenia. Wraz ze zmianą stężenia O2 w mierzonym gazie zmienia się siła elektromotoryczna ogniwa.
Budowę analizatora przedstawia rysunek ponizej. Na obudowie znajduje się wyświetlacz do odczytywania danych z analizatora. Tlenomierz jest zintegrowany z analizatorem wielogazowym Fuji ZRE.

Rys. 5 Budowa tlenomierza cyrkonowego Fuji ZFK7

Pomiar tlenu (czujnik paramagnetyczny)

Czujnik paramagnetyczny zintegrowany z analizatorem Fuji ZRE mierzy stężenie tlenu w próbce spalin na zasadzie konwersji zawartości O2 na wartość ciśnienia zależną od własności magnetycznych tlenu.

Wszystkie gazy charakteryzują się dodatnią lub ujemną podatnością magnetyczną. Spośród nich cząsteczki tlenu (jak również NO i NO2) mają bardzo wysoką podatność magnetyczną i są silnie przyciągane przez pole magnetyczne, podczas gdy pozostałe składniki spalin wykazują własności diamagnetyczne. Wpływ NO i NO2 jest pomijany ze względu na znikome stężenie tych gazów w porównaniu z tlenem.

Możliwy jest więc pomiar stężenia tlenu w spalinach wykorzystując jego podatność magnetyczną. Rysunek poniżej ilustruje budowę kanału pomiarowego tlenu.

W niejednorodnym polu magnetycznym cząsteczki tlenu są przyciągane w kierunku obszaru o wyższej gęstości pola magnetycznego co powoduje miejscowy wzrost ciśnienia. Wartość ciśnienia jest przetwarzana na sygnał elektryczny przez detektor mikroprzepływu i następnie wzmacniany.


Budowa celi paramagnetycznej

Układ przygotowania próbki

Pentol współpracuje z austriacką firmą JCT, jednym z dwóch wiodących w skali europejskiej producentów systemów przygotowania próbki gazowej. Na rysunku poniżej przedstawiono typowy schemat przepływu próbki od sondy do analizatora.


Schemat przepływu próbki do analizatora ekstrakcyjnego

Typowy układ przygotowania próbki tworzą następujące komponenty:

  • Sonda poboru próbki ER-S10
  • Wąż poboru próbki JCT JH3F
  • Chłodnica kompresorowa z podwójnym wymiennikiem, typ Compact MIDI
  • Pompa membranowa zasysająca próbkę typ 303
  • Pompka kondensatu
  • Filtr typ JF-1TE2
  • Czujnik wilgoci typ KW-1
  • Filtr aerozolu typ 20.5
  • Zawory elektromagnetyczne do kalibracji

Układ przygotowania próbki jest każdorazowo dobierany warunków procesowych i rodzaju mierzonych gazów.


Materiały informacyjne

2430kB KONCEPCJA SYSTEMU CIĄGŁEGO MONITORINGU EMISJI Z EKSTRAKCYJNYMI ANALIZATORAMI GAZOWYMI

Karty katalogowe w języku angielskim:

1620kB FUJI ANALIZATOR GAZOWY EKSTRAKCYJNY ZRE

Powrót do strony  Analizatory spalin, Systemy Ciągłego Monitoringu Emisji