Laserový analyzátor plynů TDLS200, využívající techniku laditelného polovodičového laseru, je představitelem nové generace provozních analyzátorů. Vyznačuje se velkou selektivitou a dlouhodobou stabilitou a umožňuje spojitě in-situ analyzovat horké či korozivní plyny. Článek podrobně pojednává o možnostech, které tento přístroj nabízí pro optimalizaci spalovacích procesů.
Provozovatelé průmyslových spalovacích zařízení používaných k ohřevu produktů a výrobě páry, tepla nebo elektrické energie mají tři základní cíle:
-
zvyšovat účinnost a kapacitu zdroje a vytvářet maximální možný finanční zisk,
-
minimalizovat emise a znečištění a vyhnout se penalizacím,
-
udržovat spalovací zařízení v bezpečném provozu a zajistit kontinuitu výroby i pracovní příležitosti.
Protože značná část spalovacích zařízení je provozována dlouhodobě, a to až po desítky let, nevede cesta k optimalizaci spalovacího procesu jen přes použití nových měřicích přístrojů – analyzátorů složení spalin – a zavedení dokonalejších řídicích algoritmů. Problém vyžaduje celostní přístup, dokonalou diagnostiku a znalost místních omezení. Pozornost je třeba věnovat zejména těsnosti stěn kotle (pece), neboť přisávání falešného vzduchu vede k tepelným ztrátám a nesprávným předpokladům o množství kyslíku vstupujícího do spalovacího procesu. Dalšími náměty při optimalizaci chodu zařízení jsou kvalita řízení tahů plynů v topeništi a klapek na vstupech vzduchu i na výstupu spalin, kvalita promísení paliva se vzduchem, použití moderních hořáků a jejich rozmístění v topeništi způsobem zajišťujícím rovnoměrné teplotní pole a minimalizaci tvorby oxidů dusíku a síry (NOx, SOx). K dosažení uvedených cílů je nezbytná také pravidelná údržba a obnova částí kotle, které jsou vystaveny opotřebení a korozi.
Ke sledování a optimalizaci spalovacího procesu je nutné znát obsah kyslíku (O2) ve spalinách (přebytek po spalování) a také obsah CO, který indikuje účinnost i bezpečnost spalování. Při rozhodování o strategii optimalizace spalovacího procesu by proto neměly chybět úvahy o použití laserového analyzátoru koncentrací O2 a CO na výstupu spalovací zóny jako přístroje, který poskytuje okamžité a spolehlivé údaje.
Řízení poměru palivo-vzduch
Spalovací proces vyžaduje palivo, vzduch (kyslík), promísení (turbulenci), prostor pro hoření, teplotu a čas. Nedostatek vzduchu způsobí vznik sazí (nespálený uhlík), kouře a produkci výbušného CO. Naproti tomu nadbytek vzduchu zmenšuje účinnost zařízení, protože při hoření se v topeništi současně ohřívá dusík (N2), kterého je ve vzduchu 78 %, k hoření nijak nepřispívá a navíc za vyšší teploty spoluvytváří nežádoucí oxidy (NOx).
Vliv velikosti poměru palivo-vzduch na účinnost spalování je ukázán na obr. 1. Na vodorovné ose je poměr skutečně dodaného vzduchu k jeho teoreticky potřebnému množství, modrou čarou je vyznačen průběh tepelných ztrát a červenou průběh účinnosti spalování. Poměr palivo-vzduch je v malých zařízeních řízen diskrétními poměrovými regulátory, ve větších systémy typu DCS, při použití několikaparametrového prediktivního řízení.
Ideální (nejnižší možná) hodnota přebytku O2 není konstantní, ale závisí na větším počtu proměnných faktorů, jako jsou např. typ a výhřevnost paliva, typ použitých hořáků, vlhkost dodávaného vzduchu, vlhkost v palivu, zatížení (režim) kotle, zanesení hořáků systému nebo mechanické opotřebení akčních členů řídících dodávku paliva. Proto je vhodné měřit vedle koncentrace O2 také koncentraci CO a mít možnost pružně reagovat na přítomnost nespálených složek ve spalinách podle změn již uvedených proměnných faktorů.
Omezení současných analyzátorů O2 a CO
Koncentrace O2 se povětšinou měří analyzátory se zirkoniovým napěťovým článkem. Společnost Yokogawa má zirkoniové analyzátory ve své nabídce od sedmdesátých let minulého století a poslední spolehlivé a praxí prověřené modely řady EXAxt ZR pro měření na jednom (ZR402G+ZR22G), popř. několika místech (AV550G+ZR22G) jistě představují špičku na trhu.
Obecně však má použití analyzátorů se zirkoniovým článkem určitá úskalí:
-
jde o bodové měření, přičemž rozložení koncentrací plynů ve spalinovodu se může místně lišit (i o 1,5 %) a poloha míst s reprezentativní (průměrnou) koncentrací se mění s průtočným profilem podle zatížení kotle,
-
s měřením v oblasti s teplotou spalin menší než 700 °C (za přehříváky páry, předehříváky vody či vzduchu) je v podtlakovém režimu spojeno riziko pronikání vzduchu netěsnostmi v konstrukci kotle a zkreslování naměřených údajů; při jen odhadovaných netěsnostech je spalování řízeno s většími přebytky vzduchu (O2), než je nutné,
-
délka vysokoteplotních sond pro měření poblíž zóny hoření (do 1 400 °C) je jen 1,5 m a sondy lze umístit pouze svisle, takže jsou použitelné jen v určitých situacích,
-
při i jen částečném zanesení filtru na konci sondy se naměřené údaje zpožďují za skutečností a dosažitelná přesnost regulace klesá,
-
měřicí řetězec pro správnou činnost vyžaduje řádnou údržbu a periodickou kalibraci; při nezjištěných netěsnostech mezi referenční a měřicí stranou zirkoniového článku je přístroj zdrojem nevalidních, až nebezpečných údajů.
Koncentrace CO se měří při použití odběrových sond, tedy opět bodově.
Analyzátory typu NDIR (Nondispersive Infrared) se vyznačují vedle zpoždění vlivem filtru a odběrné cesty ještě prodlevou způsobenou chladičem odstraňujícím nežádoucí vlhkost (s absorpcí v těchže vlnových pásmech). Infračervené analyzátory zabudované do potrubí (in-line) mají omezenou citlivost v důsledku přítomnosti silnějších absorbentů (CO2 a H2O), omezený rozsah provozní teploty a obtížně se kalibrují. Měří-li se koncentrace CO v rámci systému měření emisí na patě komína, jde o měření prováděné již za možnou zónou oxidace CO na CO2, které má v důsledku dopravního zpoždění jen informativní charakter s malým užitkem k řízení v reálném čase.
Katalytické analyzátory CO typu close extractive (±75 ppm) zpravidla pracují do teploty nejvýše 400 °C, a tedy jen na místech velmi vzdálených od místa vlastního hoření. Z funkčního principu nejsou imunní proti jiným složkám spalin (saze, SOx atd.) a jejich výstupem je tzv. CO-ekvivalent (COe), tedy nikoliv selektivně koncentace CO. Oxidy síry mohou zkracovat dobu provozního života jejich článků a způsobovat posun výsledku až o 200 ppm oproti skutečnosti. Pro svou funkci potřebují O2 (alespoň 1,5 %). Při nedostatku O2 a náhlém výronu CO se může stát, že katalytický senzor nebude ukazovat správnou hodnotu nebo průnik nezachytí vůbec. Stejně jako všechny ostatní elektrochemické senzory trpí driftem a vyžadují údržbu a rekalibrace.
Vlastnosti laserového analyzátoru TDLS200
Analyzátor TDLS200 na obr. 2, měřící koncentraci O2 nebo CO přímo za spalovací zónou (do 1 500 °C) v reálném čase (během 2 až 5 s) a umožňující rychle zasahovat do řízení spalování, je skutečností. V časopise Automa byl před čtyřmi lety (vydání 8-9/2007) představen princip True Peak a na něm založený laditelný laserový analyzátor od firmy ASI (Analytical Specialities Inc.)/Yokogawa. Od té doby společnost Yokogawa zcela převzala firmu ASI (v květnu 2008) a více než 400 nových referencí dlouhodobě potvrzuje dobré užitné vlastnosti tohoto přístroje.
Na rozdíl od starších laserových analyzátorů dostupných na trhu a používaných v systémech ke sledování emisí (měření koncentrací NH3, HCl, HF atd.), které detekují amplitudu absorpční čáry po druhé derivaci, přístroj True Peak integruje plochu vymezenou touto čarou a poskytuje správný údaj i při proměnném složení pozadí, a to s lineární závislostí na tlaku. Proto může být s úspěchem a bez ztráty přesnosti použit i při současné a náhlé změně tlaku a teploty. Je určen pro náročné měření složení korozivních plynů s obsahem pevných částic při teplotě média až 1 500 °C a tlaku až 2 MPa. Konkrétní mezní hodnoty tlaku a teploty jsou závislé na typu a koncentraci měřeného plynu. Citlivost je dána délkou světelné dráhy v plynu, jeho teplotou, tlakem, dobou integrace a množstvím pevných částic. Při měření koncentrace O2 se běžně dosahuje citlivosti 0,01 %, u CO od 2 do 5 ppm. Analyzátor TDLS200 má výborně vyřešený způsob adjustace optické souososti vysílače a přijímače, který eliminuje mechanické korekce jinak nutné po jeho sejmutí a nové montáži (obr. 3).
Vysílací, řídicí a vyhodnocovací jednotka analyzátoru umožňuje během měření autonomně spouštět validační cykly, při nichž je do validační komory vpuštěn plyn o známé koncentraci, jehož absorpce se skokově přičte k právě měřené hodnotě. Analyzátor může tuto změnu na svých proudových výstupech „zamaskovat“ a do řídicího systému poslat jen stavovou informaci o úspěšnosti validace. Analyzátor je současně vybaven obsáhlou diagnostikou s uchováváním výsledků a stavových údajů a také prostorem pro ukládání absorpčních spekter s nejméně čtrnáctidenní kapacitou, takže podmínky měření lze bezezbytku rekonstruovat i bez použití PC. Protože podíl bezpečně odhalených poruch přístroje (SFF – Safe Failure Fraction) je větší než 85 %, analyzátor splňuje klasifikaci SIL 1 podle normy IEC 61508. Proto se s výhodou uplatní v bezpečnostních flérových úlohách měření mezní koncentrace O2, kde lze využít provedení pro zónu 1 nebo 2prostředí s nebezpečím výbuchu.
Hlavní předností analyzátoru TDLS200 je rychlost měření v náročných provozních podmínkách i při značně dlouhé optické dráze (u spalování plynu úspěšně i 32 m) bez nutnosti časté periodické kalibrace. Ta je doporučována s nejkratším intervalem po roce nebo také až při výměně laseru (očekávaná doba života delší než patnáct let). Analyzátor TDLS200 díky svým vlastnostem velmi rychle našel své uplatnění v petrochemickém, chemickém a hutním průmyslu a v tepelných elektrárnách, kde všude umožňuje zdokonalit spalovací procesy a zvýšit bezpečnost provozu. Analyzátor k měření koncentrace O2 ve spalinách využívá vlnovou délku 760 nm a analyzátor CO délku 2 300 nm.
Měření koncentrace O2 a CO ve spalinách analyzátorem TDLS200
Na obr. 4 je uveden příklad použití analyzátoru TDLS200 k měření koncentrací O2 a CO při spalování plynu v peci. Graf ukazuje průběh koncentrací O2 a CO ve spalinách při záměrném zmenšování dodávky vzduchu do hořáků a poté při návratu k výchozímu stavu, v ručním režimu. Patrný je počátek tvorby CO při 2% koncentraci O2 a strmý nárůst koncentrace CO při poklesu koncentrace kyslíku O2 k hodnotě 1,5 %, znamenající nedokonalé spalování. Následující opětný růst dodávky vzduchu sledovaný růstem koncentrace O2 ve spalinách měl za následek rychlý pokles koncentrace CO a návrat do stavu dokonalého spalování. Pohledem na časovou osu lze zjistit, že koncentrace CO vzrostla ze 100 na 4 000 ppm během několika desítek sekund.
Řízení poměru palivo-vzduch pomocí měření koncentrací O2 a CO
Podle Lymana F. Gilberta by v optimální spalovací zóně (s největší tepelnou účinností na jednotku paliva) měla být hodnota koncentrace CO asi 200 ppm, bez ohledu na druh paliva a zařízení. Jakmile se začne tvořit CO, je nárůst jeho koncentrace velmi rychlý (obr. 4). Pro udržení stability spalovacího procesu musí být proto buď zajištěna dostatečná dodávka vzduchu, nebo řídicí systém musí sledovat koncentraci CO v reálném čase a trvale ji udržovat na malých hodnotách.
Množství vzduchu dodávaného do hořáků lze řídit jedním ze dvou způsobů:
-
použitím nucené dodávky vzduchu pomocí ventilátoru na vstupu, tj. přetlakem, se škrticí klapkou umístěnou na výstupu z pece (FDF – forced draft fan, viz obr. 5),
-
pomocí ventilátoru umístěného na výstupu z pece, tj. vysávajícího spaliny z pece pod tlakem s úpravou průtoku opět klapkou (IDF – induced draft fan).
Koncentrace O2 a CO se v obou případech měří na začátku spalinovodu, přednostně ještě v radiační zóně pece. Naměřené hodnoty koncentrace CO lze využít k řízení spalování dvěma způsoby:
-
buď řídit přebytek O2, jestliže koncentrace O2 překročí jí stanovenou mez, a přepnout na řízení koncentrace CO, jestliže koncentrace O2 poklesne pod stanovenou mez,
-
nebo podle hodnoty koncentrace CO jen posouvat (bias) hlavní regulaci koncentrace O2.
Odhad ekonomického přínosu dokonalejšího řízení poměru palivo-vzduch
Změnou žádané hodnoty koncentrace O2 ve spalinách lze k vývinu téhož množství energie spotřebovat méně paliva – tedy ušetřit palivo. Možná úspora je ilustrována na jednoduchém příkladu uvedeném v tab. 1 a tab. 2.
Jako spalovací zařízení je v příkladu uvažována pec na destilační jednotce přepracovávající 100 000 barelů ropy denně. Palivem je topný olej při roční spotřebě 60 000 m3 0,5 procentního bodu, uspoří se ročně 240 m3 paliva, což při současné dané úrovni cen představuje úsporu 156 000 eur. Navíc se spolu se snížením spotřeby paliva dosáhne také snížení emisí CO2. Spálením jednoho krychlového metru topného oleje vzniknou až tři tuny CO2, takže uvedený pokles spotřeby paliva má za následek snížení emisí o 720 tun za rok.. Jestliže se dosáhne snížení přebytku kyslíku ve spalinách o
Zvýšení bezpečnosti při použití TDLS200
Systém pro řízení hořáků (BMS – Burner Management System) bezpečně řídí hořáky spalovacího zařízení a zajišťuje vzájemné vazby nezbytné k bezpečnému havarijnímu odstavení hořáků z provozu v případě nebezpečí výbuchu. Systémy typu BMS musí odpovídat bezpečnostním standardům na základě posouzení rizik podle mezinárodních norem (ISO 12100) a v Evopě také podle EN 746. Protože analyzátor TDLS200 sleduje koncentraci CO téměř v reálném čase a detekuje vznik toxických plynů vlivem nedokonalého spalování, může jeho výstupní signál zařazený do BMS přispět ke zvýšení bezpečnosti podle daných bezpečnostních pravidel. Na obr. 6 je ukázána typická konfigurace systému řízení hořáků, v němž je k současnému BMS s jeho havarijními vypínacími funkcemi přidána funkce měření koncentrace CO. Společnost Yokogawa nabízí pro bezpečné odstavení technologického zařízení systém ProSafe-RS bezpečnostní kategorie SIL 3, který je možné využít jako BMS.
Použití TDLS200 při řízení spalovacích procesů v ČR
V ČEZ EVI – Elektrárna Vítkovice nahradil analyzátor TDLS200 dosavadní odběrový analyzátor koncentrace CO v obtokovém potrubí DN100 mezi přehříváky a elektrostatickým odlučovačem popílku uhelného kotle K10. V důsledku velké prašnosti, a tím jeho ucpávání, dosavadní analyzátor neplnil ochranné funkce včasného odpojení odlučovače od napájení a prevence výbuchu. Signál koncentrace CO s dobou odezvy do pěti sekund je využíván nejen ke spolehlivé ochraně odlučovače, ale také k optimalizaci spalovacího poměru – přebytku O2. Přístroj je v provozu od května 2009.
Firma Energetika Třinec, a. s., vyrábí páru pro potřeby výrobních provozů Třineckých železáren spalováním odpadních plynů z různých provozních úseků. Protože režim výroben je mnohdy šaržovitý, je diskontinuální i dostupnost jednotlivých plynných zdrojů. Hořáky kotlů K1 až K4 (dva pro každý kotel) musí umět plynule reagovat na změny složení plynného paliva (generátorový, vysokopecní, konvertorový a popř. zemní plyn), jehož výhřevnost se v čase velmi liší, poměr palivo-vzduch se mění od 1 : 1 po 1 : 10 a vlhkost spalin kolísá mezi 1 a 30 %. V přechodových stavech může dojít ke špičkovému výronu CO nebo i zhasnutí plamene. Analyzátor TDLS200 se v této úloze (instalována na třech kotlích) velmi osvědčil, protože svou rychlou odezvou předstihuje již existující analyzátory CO o téměř tři minuty a díky měření přes prostor kotle v délce 7 až 8 m (na rozdíl od bodového odběru) spolehlivě odhalí výron CO. Spalování je při použití nového spolehlivého údaje o množství CO řízeno na hodnotu koncentrace CO asi 40 ppm. První přístroj zde byl uveden do provozu v srpnu 2009.
V podniku Dalkia, a. s. – Elektrárna Třebovice měří analyzátor TDLS200 koncentraci O2 na kotli K12. Měření koncentrace CO na uhelném práškovém kotli bylo již ve světě ověřeno, a to i na velkých zdrojích, kde se několikanásobným měřením stanovovala síť hodnot v průřezu kotle. Měření koncentrace O2 má ale jistá úskalí, protože dostupný stabilní laser nemá nadbytek výkonu a útlum signálu na optické dráze délky 9 m je vlivem velké prašnosti i proměnlivé opacity (uhelné brýdy) značný. Ve spolupráci s aplikační laboratoří Yokogawa Laser Analysis Division se podařilo dosáhnout uspokojivého přenosu mezi laserovým vysílačem a detektorem a zajistit stabilitu měření ve všech provozních stavech. Dalším úskalím byla nedostupnost dusíku pro ofukování skel optické části. Díky umístění přístroje měření v místě, kde teplota spalin může dosahovat až 950 °C, je možné pro ofukování skel použít filtrovaný přístrojový vzduch, protože měřená absorbce O2 využívá „vysokoteplotní“ spektrální čáru, a tím je vliv O2 v ofukujícím chladnějším vzduchu zanedbatelný. Neméně důležitým úkolem bylo zajistit uchycení vysílače a detektoru tak, aby v celém rozsahu teplot okolí i měřeného média byla zachována koincidence jejich optických os. Protože vnější stěna kotle je pružná, vytvořená oplechováním z ocelových desek, vyžadovalo mechanické ukotvení částí analyzátoru zákaznicky orientovaný profesionální návrh. V ČR se jistě ojedinělou úlohu příkladnou spoluprací konečného uživatele s dodavatelem podařilo úspěšně realizovat.
Další použití
Uvnitř laditelného pásma laserového analyzátoru koncentrace CO lze zaznamenat také diskrétní útlumové čáry vlhkosti (H2O) a methanu (CH4). Druhý analyzátor, měřící koncentraci O2 při vysoké teplotě (nad 800 °C), může vyhodnocením poměrů mezi amplitudami dvou sousedních spektrálních útlumových čar velmi spolehlivě stanovit průměrnou teplotu podél optické dráhy laserového paprsku. U průmyslových pecí, které generují páru nebo ohřívají různé petrochemické produkty, lze z uvedených pěti veličin nejen určit optimální spalovací poměr, ale také detekovat zhasnutí plamene některého z hořáků (okamžitý pokles teploty) nebo poškození přehříváku páry (nárůst koncentrace H2O) či produktu (nárůst koncentrace CH4).
Požadavky na snižování emisí oxidů dusíku (NOx) vedou provozovatele zdrojů k tomu, že zvažují efektivnost použití denitrifikační (DeNOx) techniky SCR – selektivní katalytické redukce pomocí injektáže čpavku – redukující NOxna N2 a H2O. Předávkování čpavku ovšem způsobuje nadměrnou tvorbu pevných částic, zalepování filtrů, korozi, opotřebení katalyzátoru a také nežádoucí průnik aromatického čpavku do okolí. Z provozního hlediska není zanedbatelná také cena čpavku. K zajištění přesného dávkování čpavku je třeba rychle měřit za denitrifikačním zařízením při teplotě okolo 300 °C, velké prašnosti i vlhkosti. Analyzátor TDLS200 je pro tyto případy použitelný a vyzkoušený při dosažitelné mezní citlivostí 0,2 ppm čpavku v měřeném médiu.
Závěr
Analyzátor TDLS200 je přístroj, který i při současných trendech omezování výdajů je zcela bezpečnou investicí významně pomáhající provozovatelům spalovacích zařízení dosahovat úvodem zmíněných cílů v oblasti zisku, vlivu na životní prostředí a bezpečnosti. Svým přínosem pro optimalizaci spalování spoří palivo a zvyšuje kapacitu technologického zařízení. Menší spotřeba paliva se promítá i do oblasti ekologie snížením emisí CO2 a omezením tvorby CO i oxidů dusíku. Krátká doba odezvy přístroje umožňuje zvýšit bezpečnost při spalování.
(zpracováno s použitím firemních materiálů společnosti Yokogawa)
Obr. 1. Vztah mezi poměrem palivo-vzduch a účinností spalování
Obr. 2. Laserový analyzátor plynů TDLS200
Obr. 3. Schéma uspořádání analyzátoru TDLS200 a jeho instalace v místě měření
Obr. 4. Změny koncentrací O2a CO ve spalinách u pece v režimu spalování při nedostatku vzduchu
Obr. 5. Řízení spalování v peci s měřením koncentrací CO a O2 (FC – řízení průtoku)
Obr. 6. Bezpečné řízení v systému správy hořáků (BMS – Burner Management System, FC – řízení průtoku)
Tab. 1. Výchozí údaje použité pro výpočet úspory paliva uvedený v tab. 2 (uvažován je topný olej)
Tab. 2. Výpočet úspory paliva při snížení koncentrace O2ve spalinách ze 2,5 na 2 % (podle výchozích údajů v tab. 1)