PL194567B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przezciepłownię - Google Patents

Abstract

1. Sposób pomiaru droga spektrofotometrii ste- zenia szkodliwych gazów emitowanych przez cie- plownie taka, która ma pierwsza przestrzen do spa- lania paliwa, urzadzenie rurowe usytuowane w dru- giej przestrzeni, znajdujacej sie za przestrzenia spa- lania patrzac w kierunku przeplywu, przy czym to urzadzenie rurowe zawiera rury, przez które moze przeplywac czynnik taki jak woda, powietrze lub para wodna, w celu ogrzania poprzez przenikanie ciepla ze spalin powstalych w procesie spalania, oraz ko- min usytuowany za tym urzadzeniem rurowym do odprowadzania spalin z instalacji, znamienny tym, ze w obszar w poblizu urzadzenia rurowego (5) wprowadza sie promiennik (7') po jednej stronie tej drugiej przestrzeni (4) oraz odbiornik (7") promienio- wania swietlnego po przeciwnej stronie tej drugiej przestrzeni (4), nastepnie laczy sie odbiornik (7") promieniowania swietlnego ze spektrometrem (13) wspólpracujacym z komputerem (14), kalibruje sie spektrometr (13), w którym promieniowanie swietlne jest rozdzielane spektralnie, do rejestrowania wid- mowego rozkladu natezenia promieniowania w za- kresie dlugosci fali od 200 do 310 nm, a potem emi- tuje sie co najmniej jedna wiazke (11) . . . . . . PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przez ciepłownię.

Równoczesne wytwarzanie ciepła i pary wodnej poprzez spalanie tzw. biopaliwa, czyli paliwa stałego składającego się z drewna albo biomasy, w ostatnich czasach stało się coraz bardziej rozpowszechnione między innymi dlatego, że produkcja taka odznacza się sprawnością energetyczną, wykazuje trwałość w trakcie długich cykli, może opierać się o surowce krajowe i wywiera minimalny wpływ na środowisko. Okazało się jednak, że spalanie biopaliwa jest procesem, który pod pewnymi względami jest bardziej skomplikowany i trudniejszy do prowadzenia niż spalanie innych paliw stałych, takich jak węgiel. Jednym utrudnieniem jest to, że popioły ze spalania biopaliwa mają inny skład i inne właściwości w zakresie topnienia niż np. popiół węglowy. Między innymi, różnica ta pociąga za sobą kosztowne problemy związane z korozją i osiadaniem popiołu na rurach, znajdujących się w istniejących instalacjach przegrzewaczy. Zaobserwowano np. poważną korozję w wysokich temperaturach w większości elektrociepłowni w Szwecji, po kilku latach pracy ze 100% biopaliwa. Problemy mogą stać się szczególnie wyraźne, gdy do paliwa dodawane są materiały takie jak drewno z rozbiórki oraz sortowane odpady różnych typów. W praktyce korozja objawia się tym, że rury przegrzewacza wykonane zazwyczaj z wysokostopowej, a tym samym drogiej stali, pokrywają się nagarem, silnie przylegającymi warstwami albo osadami popiołu, a równocześnie powierzchnia pod spodem wystawiona jest na działanie roztopionych materiałów o działaniu korozyjnym, co wywołuje ubytki metalu.

Wśród ekspertów panuje jednomyślność co do tego, że chlor stanowi główny czynnik przyspieszający korozję w powyższym kontekście. Według konwencjonalnej teorii chlor jest przenoszony do osadów popiołu na rurach przegrzewacza w postaci gazowego chlorku potasu (KCl), albo jako bardzo drobny aerozol chlorku potasu, który skroplił się bezpośrednio przed przegrzewaczem. Następnie na powierzchni rury zachodzi reakcja z siarką w osadzie popiołu, z utworzeniem w ten sposób siarczanu potasu i wolnego chloru, który w tej postaci jest silnie korodujący. Aczkolwiek teoria ta jest prawdopodobna, w praktyce występują ogromne trudności nie tylko w zweryfikowaniu tej teorii, lecz także w podjęciu kroków w celu rozwiązania problemu, przede wszystkim wskutek braku odpowiedniej techniki pomiarowej. Wiadomo, że w dokumencie SE 8502946-0 opisano ogólnie, jak można wykorzystać spektrofotometrię do określania pewnych parametrów, np. stężenia substancji gazowych, które występuje w takich procesach spalania, zachodzących w wysokich temperaturach, lecz w tym przypadku technika koncentruje się głównie na pomiarach w płomieniach, zaś dokument nie zawiera żadnych wskazówek odnośnie tego, jak w praktyce można by wykorzystać tę technikę do pomiarów w instalacjach typu przedstawionego we wstępie.

W ciepłowniach występują, oprócz wymienionych wyżej problemów korozji, także inne podobne problemy, powodowane obecnością gazowych chlorków metali albo metali w postaci niezwiązanej.

I tak w instalacjach mogą występować także inne układy niż tylko przegrzewacze, składające się z zestawów albo pakietów rur, przez które krąży np. powietrze w celu podgrzania go (w praktyce urządzenia takie składają się z podgrzewaczy powietrza czyli tzw. ekonomizerów). Gdy metale, takie jak metale ciężkie, cynk i ołów w postaci gazowej, unoszone są przez spaliny i zderzają się z urządzeniem, osadzają się one na powierzchniach rur tworząc tym samym osady, które nie muszą być korodujące, lecz które pogarszają przepływ ciepła ze spalin do czynnika krążącego wewnątrz rur.

Celem wynalazku jest przezwyciężenie wad związanych ze znaną dotychczas techniką pomiarową i w celowy sposób wyeliminowanie albo przeciwdziałanie problemom związanym z korozją i osadami, które występują w zawierających rury urządzeniach do wymiany ciepła, np. w przegrzewaczach, ekonomizerach albo podgrzewaczach powietrza, które występują za przestrzenią spalania w instalacjach spalania. Tym samym głównym celem wynalazku jest opracowanie sposobu, jak również urządzenia, które w praktycznym działaniu w trudnych warunkach zewnętrznych potrafią ściśle ustalić obecność i stężenie w spalinach z procesu spalania dokładnie tych substancji gazowych, które powodują poważną korozję albo szkodliwe osady na rurach wchodzących w skład tych urządzeń. Innym celem jest opracowanie sposobu, za pomocą którego można ograniczyć samo powstawanie korodujących albo szkodliwych gazów w spalinach, które będą przepływać przez urządzenia rurowe.

Zgodny z wynalazkiem sposób pomiar drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przez ciepłownię taką, która ma pierwszą przestrzeń do spalania paliwa, urządzenie rurowe usytuowane w drugiej przestrzeni, znajdującej się za przestrzenią spalania patrząc w kierunku przepływu, przy czym to urządzenie rurowe zawiera rury, przez które może przepływać czynnik taki jak

PL 194 567 B1 woda, powietrze lub para wodna, w celu ogrzania poprzez przenikanie ciepła ze spalin powstałych w procesie spalania, oraz komin usytuowany za tym urządzeniem rurowym do odprowadzania spalin z instalacji, charakteryzuje się tym, że w obszar w pobliżu urządzenia rurowego wprowadza się promiennik po jednej stronie tej drugiej przestrzeni oraz odbiornik promieniowania świetlnego po przeciwnej stronie tej drugiej przestrzeni, następnie łączy się odbiornik promieniowania świetlnego ze spektrometrem współpracującym z komputerem, kalibruje się spektrometr, w którym promieniowanie świetlne jest rozdzielane spektralnie, do rejestrowania widmowego rozkładu natężenia promieniowania w zakresie długości fali od 200 do 310 nm, a potem emituje się co najmniej jedną wiązkę promieni nadfioletowych z promiennika do odbiornika promieniowania świetlnego, i wykrywa się zasadniczo w sposób ciągły in situ stężenie metali i/lub chlorków metali w stanie gazowym, w spalinach podczas pracy instalacji.

Korzystnie rejestruje się w komputerze dane dotyczące wykrytego stężenia metali i/lub chlorków metali w spalinach, wysyła się sygnał wyjściowy z komputera do jednostki sterującej, sterującej jednym albo większą liczbą urządzeń zawartych w instalacji, zasilając paliwem i/lub doprowadzając powietrze do poszczególnych układów regulacji powietrza.

Korzystnie steruje się za pomocą jednostki sterującej, jeżeli to konieczne, urządzeniem zasilającym do podawania materiału redukującego chlorki metali w przestrzeni spalania.

W korzystnej postaci wykonania wprowadza się materiał zawierający siarkę do paliwa, zmniejszając ilości chlorków metali alkalicznych w obszarze tego urządzenia rurowego.

Zgodne z wynalazkiem urządzenie do pomiaru drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przez ciepłownię taką, która ma pierwszą przestrzeń do spalania paliwa, urządzenie rurowe usytuowane w drugiej przestrzeni, znajdującej się za przestrzenią spalania patrząc w kierunku przepływu, przy czym to urządzenie rurowe zawiera rury, przez które może przepływać czynnik taki jak woda, powietrze lub para wodna, w celu ogrzania poprzez przenikanie ciepła ze spalin powstałych w procesie spalania, oraz komin usytuowany za tym urządzeniem rurowym do odprowadzania spalin z instalacji, charakteryzuje się tym, że w pobliżu urządzenia rurowego, po jednej stronie drugiej przestrzeni, znajduje się promiennik emitujący co najmniej jedną wiązkę promieni nadfioletowych do odbiornika promieniowania świetlnego, usytuowanego po przeciwnej stronie drugiej przestrzeni, przy czym odbiornik promieniowania świetlnego jest połączony ze spektrometrem rozdzielającym widmowo promieniowanie, współpracującym z komputerem, przy czym spektrometr jest skalibrowany do rejestrowania widmowego rozkładu natężenia promieniowania w zakresie długości fali 200 - 310 nm, stanowiąc układ zasadniczo ciągłego wykrywania in situ stężenia metali i/lub chlorków metali w stanie gazowym, w spalinach podczas pracy instalacji.

Korzystnie spektrometr stanowi miniaturowy spektrometr z układem diod.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie ogólną budowę elektrociepłowni, w której może być zastosowany wynalazek, fig. 2 - urządzenie włączone do instalacji według wynalazku, emitujące i odbierające promieniowanie świetlne, które to urządzenie współpracuje ze spektrometrem, w powiększonym widoku cząstkowym, fig. 3 przedstawia schematycznie spektrometr i urządzenie do kalibracji spektrometru, fig. 4 - alternatywną postać elektrociepłowni oraz połączone z nią urządzenie według wynalazku, schematycznie i w pomniejszeniu.

Na figurze 1 przedstawiono spalarnię wytwarzającą parę, która może składać się z przemysłowego kotła parowego, którego głównym celem jest wytwarzanie pary np. do wytwarzania energii elektrycznej, lecz która może także składać się z połączonej siłowni i ciepłowni typu, który wytwarza nie tylko parę, lecz także ciepło. Jako główne elementy składowe, zakład zawiera kocioł 1 i komin 2. W kotle 1 znajduje się pierwsza przestrzeń 3 w postaci komory spalania, w której spala się doprowadzane paliwo. W praktyce kocioł może pracować w znanej technice złoża fluidalnego (wśród ekspertów znanej pod nazwą BFB = „Bubbling Fluidized Bed” - pęcherzykowe złoże fluidalne). W dużych instalacjach kocioł może mieć wysokość 10 - 40 metrów. W innej przestrzeni 4 służącej jako kanał przepływu gazów, za pierwszą przestrzenią 3 patrząc w kierunku przepływu, znajduje się jeden albo większa liczba przegrzewaczy. W przykładzie według fig. 1 przedstawiono trzy takie przegrzewacze. Każde z tych urządzeń stanowi zestaw rur albo pętli rurowych, przez które może przepływać para wodna w celu przegrzania w drodze przenikania ciepła ze spalin powstających w procesie spalania i przepływających przez przestrzeń 4. Pomiędzy przestrzeniami 3 i 4 biegnie ukośna ściana 6 wbudowana w separator, którego celem jest zbieranie stałych cząstek spadających ze spalin i zwracanie ich do komory spalania. Po przejściu przez urządzenie rurowe 5 w postaci przegrzewaczy spaliny ulegają ochłodzeniu w jednym lub

PL 194 567 B1 większej liczbie tzw. ekonomizerów 5' i płyną dalej przez podgrzewacz 5 powietrza, aby wreszcie wylecieć przez komin 2 (zwykle po uprzednim przejściu przez jeden albo szereg filtrów, nie pokazanych).

Na figurze 1 przedstawiono urządzenie 7 emitujące i odbierające promieniowanie świetlne, które znajduje się w instalacji według wynalazku. Jak można wyraźnie zobaczyć na fig. 1, urządzenie 7 jest usytuowane w bezpośrednim sąsiedztwie urządzenia rurowego 5, czyli przegrzewacza, który jako pierwszy styka się z przepływającymi spalinami.

Obecnie nawiązuje się do fig. 2, która przedstawia w jaki sposób urządzenie 7 zawiera promiennik 7', który jest zamontowany w jednej z dwóch przeciwległych ścian 8 ograniczających kanał 4 przepływu spalin, oraz odbiornik 7 promieniowania świetlnego, umieszczony w przeciwległej ścianie. W roli źródła promieniowania świetlnego w promienniku 7' korzystnie stosuje się żarówkę ksenonową 9, która ma zdolność emitowania promieniowania nadfioletowego o szerokim widmie długości fali, w zakresie od około 200 nm do 3 pm. Alternatywnie do tego celu można także wykorzystać żarówkę deuterową. Promieniowanie świetlne żarówki podlega kolimacji, np. przez soczewkę, po czym przechodzi przez spaliny w kanale 4 jako wiązka 11 promieni świetlnych i dalej do odbiornika 7 promieniowania świetlnego, gdzie promieniowanie świetlne jest skupiane na światłowodzie 12. Światłowód ten doprowadza promieniowanie świetlne do spektrometru 13, w którym natężenie promieniowania analizuje się w funkcji długości fali świetlnej. Ze spektrometrem współpracuje komputer 14. W skład spektrometru wchodzi urządzenie 15 rozdzielające długości fali, którego zadaniem jest rozdzielanie poszczególnych długości fali padającego promieniowania świetlnego tak, że natężenie promieniowania dla poszczególnych długości fali można zmierzyć w detektorze 15' nie rozróżniającym selektywnie długości fali. W praktyce urządzenie rozdzielające promieniowanie świetlne na składowe o poszczególnych długościach fali może stanowić monochromator albo spektrograf. Monochromator przepuszcza wpadające promienie świetlne tylko w wąskim zakresie długości fali i w roli elementu rozdzielającego długości fali może wykorzystywać np. siatkę, pryzmat albo filtr optyczny o określonym paśmie przepustowym. Spektrograf rzutuje ciągłe pasmo długości fali w danym zakresie długości fali w swej płaszczyźnie ogniskowej, gdzie zamontowany jest detektor. W roli elementu rozdzielającego długości fali w spektrografie można wykorzystać siatkę, pryzmat albo tzw. „interferometr Michelsona”.

W roli spektrografu normalnie wykorzystuje się detektor wielokanałowy, np. układ fotodiod (PDA) albo rozszerzony detektor jednokanałowy, np. fotopowielacz, w połączeniu z cienką szczeliną, która przesuwa się sekwencyjnie nad powierzchnią detektora i jest zamontowana w taki sposób, że pokrywa się z płaszczyzną ogniskową spektrografu. Z praktycznego punktu widzenia, szczelina ta może być usytuowana promieniowo na obracającej się tarczy według postaci opisanej w publikacji autorów Platt & Perner z roku 1983 (Platt. U. & Perner P., „Optical and laser remote sensing”, wyd. Killinger, DK i Mooradian, A., „Springer ser”. Optical Sci. 39, 97, 1983). Układ fotodiod składa się z rzędu fotodiod (por. kamera), które równocześnie mierzą rozkład natężenia promieniowania na powierzchni układu, po czym widmo to jest sczytywane elektronicznie po upływie pewnego czasu ekspozycji. W połączeniu z monochromatorem stosuje się zwykle jednokanałowy detektor promieniowania, np. fotodiodę.

W postaci według fig. 2 spektrograf stosuje się w połączeniu z układem fotodiod, co stanowi korzystną postać. Wynalazek można także zrealizować wykorzystując technikę monochromatora, lecz w takim przypadku konieczne byłoby zastosowanie co najmniej dwóch monochromatorów, które nastawia się na różne długości fali w celu stworzenia systemu pomiarowego specjalnie dla poszukiwanych składników gazowych, np. chlorków metali alkalicznych, i na który nie ma wpływu szerokie pasmo tłumienia promieniowania.

Sygnał z fotodetektora odczytywany jest za pomocą specjalnie skonstruowanej karty pomiarowej dla PC, zaś oprogramowanie działające pod systemem PC-Windows, które jest specjalnie przystosowane do tego celu, oszacowuje scałkowane widmo.

Oszacowanie zarejestrowanych zmierzonych widm w oprogramowaniu komputera odbywa się zgodnie z zasadami zaproponowanymi w wyżej wymienionym artykule autorów Platt & Perner, 1983. Zgodnie z algorytmami podanymi w tym artykule, dane ilościowe oblicza się dla poszukiwanych składników gazowych z informacji widmowej, poprzez korelowanie zmierzonych widm z widmami wzorcowymi dla różnych składników gazowych poprzez analizę wielu zmiennych. Obliczenia te można wykonywać w sposób ciągły w komputerze (czas obliczeń < 2 s), co umożliwia prezentację zmierzonych danych w trybie bezpośrednim, np. na ekranie 16 i aktualizację analogowych sygnałów wyjściowych na karcie przetwornika D/A w komputerze.

Wśród ekspertów, opisana wyżej technika pomiarowa nosi nazwę techniki DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy, różnicowej optycznej spektroskopii absorpcyjnej).

PL 194 567 B1

Technikę tę opisano także w sposób ogólny w wymienionym wcześniej dokumencie SE 8502946-0.

Wynalazek opiera się spostrzeżeniu, że technika DOAS może być w szczególności zastosowana do pomiaru stężenia metali/lub chlorków metali w stanie gazowym, a zwłaszcza chlorków metali alkalicznych (chlorku potasu i chlorku sodu) w spalinach. Ściślej mówiąc, realizuje się to poprzez kalibrację spektrometru 13 do rejestrowania rozkładu widmowego natężenia promieniowania w zakresie długości fali 200 - 310 nm. W tym celu stosuje się urządzenie do kalibracji typu przedstawionego na fig. 3. Urządzenie to stanowi piec 17, w którym można umieścić kuwetę 18 gazu, z dwoma okienkami kwarcowymi 19, do której to kuwety można doprowadzić gaz ze źródła 20 przewodem wlotowym 21 i odprowadzić przewodem wylotowym 22. Promiennik 7' i odbiornik 7 promieniowania świetlnego są umieszczone z obu stron pieca tak, że wiązka 11 promieni świetlnych może przejść przez naczynie, a ściślej biorąc przez jego okienka kwarcowe 19. Piec nastawia się na określoną temperaturę, korzystnie temperaturę, w której potem przeprowadza się pomiar gazu w przestrzeni 4. Gaz o danym składzie, zawierający składnik gazowy, np. chlorek potasu lub chlorek sodu, który ma być mierzony w kanale 4 przepływu spalin, dozuje się ze źródła gazu 20 poprzez zawór regulacyjny 23, który utrzymuje stały przepływ gazu, i dalej przez kuwetę 18 gazu. W przypadku, gdy ma być wykonany pomiar chlorku potasu lub chlorku sodu, wówczas sól odpowiedniego składnika umieszcza się na łyżeczce 24, którą wprowadza się do przewodu wlotowego 21 do kuwety. Regulując temperaturę pieca, uzyskuje się różne prężności pary nad solą, zaś pary chlorków metali alkalicznych o danym prężności cząstkowej będą przepływać przez kuwetę pomiarową. Gdy stężenie w gazie odnośnego składnika gazowego (oraz ewentualnych innych składników gazowych, które pochłaniają promieniowanie świetlne w zakresie długości fali, który będzie wykorzystywany do pomiarów) ustabilizuje się, wówczas widmo absorpcji składnika zostaje zmierzone i zapamiętane zgodne z tą samą zasadą, jak w odniesieniu do normalnego pomiaru w kanale 4 spalin. W ten sposób otrzymuje się widmo wzorcowe, które wykorzystuje się jako podstawę do automatycznej oceny widma, które ma miejsce później, podczas pomiaru stężenia nieznanego gazu w kanale spalin.

Struktura widmowa KCl i NaCl ma tak szerokie pasmo (w zakresie 230 - 280 nm) i jest usytuowana przy takiej długości fali, że do wykonania pomiaru można zastosować prosty i tani spektrometr. W szczególności można korzystnie zastosować tani minispektrometr nowoczesnego typu, który opiera się na wykorzystaniu wspomnianego wyżej układu diod (czujnika półprzewodnikowego) wbudowanej w ławę optyczną.

Mimo iż sposób ten ma znaczną wartość sam przez się, jako jedyny zdolny do wykrywania stężenia gazowych chlorków metali alkalicznych in situ w spalinach, szczególnie interesujące jest wykorzystanie zarejestrowanych danych do sterowania przebiegiem procesu spalania paliwa. Figura 4 przedstawia schematycznie instalację, w której zrealizowano tę możliwość. W tym przypadku przedstawiono alternatywny przykład postaci elektrociepłowni, w której kocioł 1 instalacji współpracuje z odpylaczem cyklonowym 25, który jest zainstalowany pomiędzy przestrzenią 3 spalania i kanałem 4 przepływu spalin, w którym zamontowano urządzenie rurowe 5 w postaci szeregu przegrzewaczy (w tym przykładzie pominięto komin ciepłowni ze względu na brak miejsca). W praktyce ten typ kotła nosi nazwę CFB (= Circulating Fluidized Bed - z krążącym złożem fluidalnym). Także w tej instalacji znajduje się co najmniej jeden ekonomizer 5' i podgrzewacz 5 powietrza. Podobnie do urządzenia do pomiaru gazów według fig. 1 - 3, urządzenie według fig. 4 zawiera promiennik 7' i odbiornik 7 promieniowania świetlnego, który za pomocą światłowodu 12 jest połączony ze spektrometrem 13 i współpracującym z nim komputerem 14. Poprzez kabel 26, sygnał wyjściowy z komputera może być przesłany do centralnej jednostki sterującej 27, za pomocą której można regulować poszczególne parametry determinujące proces spalania.

W połączeniu z przestrzenią 3 paleniska kotła przedstawiono także kanał wlotowy 28 doprowadzający paliwo, do którego można doprowadzać paliwo za pomocą odpowiedniego podajnika paliwa, który przedstawiono schematycznie w postaci przenośnika taśmowego 29. Nad przenośnikiem taśmowym przedstawiono schematycznie kilka pojemników 30, 31, 32, z których każdy ma urządzenie zasilające 33 podające paliwo, np. w postaci przenośnika ślimakowego. W dwóch pierwszych pojemnikach 30, 31 można przechowywać dwa różne typy paliwa, np. odpowiednio biopaliwo i palne odpady. W trzecim pojemniku 32 znajduje się materiał redukujący chlor, który w razie potrzeby można doprowadzać do paliwa albo mieszaniny paliwowej w komorze spalania. Tym samym materiał w pojemniku 32 stanowi dodatek, którego głównym celem jest zmniejszanie ilości chlorków metali alkalicznych w spalinach. W praktyce substancję tę może stanowić siarka lub materiał zawierający siarkę, choć można także stosować minerały, takie jak kaolinit. Działaniem trzech urządzeń wydających można

PL 194 567 B1 sterować indywidualnie za pomocą oddzielnych sterowników 34, które są połączone z centralną jednostką sterującą 27. Za pomocą tych sterowników, urządzenia zasilające 33 można z jednej strony włączać lub wyłączać, aby rozpocząć lub zakończyć podawanie odnośnego materiału na przenośnik taśmowy 29, z drugiej zaś strony można regulować prędkość roboczą urządzenia podającego i tym samym ilość odpowiedniego materiału podawanego na przenośnik taśmowy w jednostce czasu.

Tzw. układ regulacyjny powietrza również w znacznym stopniu determinuje proces spalania, który to układ regulacyjny powietrza wbudowany jest w znany sposób w tego typu spalarniach. W praktyce taki układ regulacyjny powietrza może składać się z szeregu kolejnych wlotów powietrza do kotła. W przykładzie przedstawiono jednak tylko dwa takie wloty powietrza, a mianowicie pierwszy wlot 35 dla powietrza głównego do dolnej części komory spalania, oraz wlot 36 dla powietrza dodatkowego, który znajduje się za kanałem wlotowym 28 doprowadzającym paliwo, patrząc w kierunku przepływu. Centralna dmuchawa 37 może poprzez kanały 38, 39 dostarczać powietrza do wlotów 35, 36, ściślej przez przepustnice 40, 41 w kanałach 38, 39. Działaniem tych przepustnic 40, 41 można sterować za pomocą oddzielnych środków sterujących 42, 43, którymi z kolei steruje centralna jednostka sterująca 27. W zależności od danych pomiarowych dotyczących odpowiednio obecności i stężenia chlorków metali alkalicznych w spalinach, dopływ powietrza do wnętrza kotła można w ten sposób regulować dokładniej w celu możliwie maksymalnego zmniejszenia ilości chlorków metali alkalicznych w obszarze przegrzewacza. W tym kontekście należy podkreślić, że zależność pomiędzy regulacją układów regulacyjnych powietrza i zawartością chlorków metali alkalicznych jest odmienna w różnych instalacjach, w zależności od konstrukcji i zasady spalania kotła.

Wynalazek opiera się na spostrzeżeniu, że chlorki metali można analizować spektralnie za pomocą promieniowania nadfioletowego w wysokiej temperaturze. Umieszczając urządzenia emitujące i odbierające promieniowanie świetlne, należące do opisanego układu pomiarowego, w bezpośrednim sąsiedztwie przegrzewacza (przegrzewaczy), narażonych na korozję, i gdzie temperatura spalin wynosi 600 - 1400°C, obecność i stężenie chlorków metali alkalicznych można określić in situ, w szczególności w miejscu, w którym istnienie chlorków ma krytyczne znaczenie, a mianowicie bezpośrednio przed ich zderzeniem się z powierzchnią rur przegrzewacza i przereagują z siarką, z wytworzeniem siarczanu metalu alkalicznego i wolnego chloru. Jest to bardzo ważne z tego względu, że gdyby próbki gazów pobrano do analizy ekstrakcyjnej, bądź też gdyby pomiary miały miejsce za przegrzewaczami - gdzie temperatura spalin jest niższa - wówczas bardzo reaktywne chlorki miałyby czas na skroplenie się i/lub przereagowanie z innymi składnikami i tym samym nie byłoby możliwości zmierzenia ich we właściwy sposób. Tym samym pomiar utraciłby całkowicie swą wiarygodność, gdyby chlorki uległy skropleniu. Należy także podkreślić, że nie jest celowe także dokonywanie pomiaru zawartości chlorków na wcześniejszym etapie procesu, tzn. w komorze spalania, gdyż chlorki reagują na swej drodze w kierunku przegrzewacza. Ponadto bardzo ważne jest to, że pomiar stężenia chlorków metali alkalicznych w spalinach zakładu odbywa się zasadniczo w sposób ciągły. Prawdą jest, iż można wykonywać pojedyncze pomiary periodycznie na tyle, na ile dopuszczalne są przerwy w czasie pomiędzy poszczególnymi momentami pomiaru. Skracając jednak te przerwy, np. do 10 - 60 s, zapewnia się zasadniczo ciągłe śledzenie obecności i stężenia chlorków inicjujących korozję. Co więcej, wykorzystując uzyskiwane w sposób ciągły dane z pomiarów, związane ze stężeniem chlorków w spalinach, zgodnie z korzystną postacią wynalazku, w celu regulacji procesu spalania, uzyskuje się skuteczny środek przeciwdziałania atakom korozyjnym na rury przegrzewacza podczas normalnej pracy. Regulację poszczególnych parametrów determinujących przebieg procesu spalania oraz ilości chlorków metali alkalicznych powstających w spalinach można realizować na różne sposoby. Jednym skutecznym sposobem jest - jak opisano wyżej w odniesieniu do fig. 4 - dodawanie dodatku redukującego chlor, np. w postaci siarki albo materiału zawierającego siarkę. Dostarczając umiarkowanych, aczkolwiek skutecznych ilości siarki do paliwa, doprowadza się już w trakcie procesu spalania do reakcji pomiędzy siarką i chlorkami metali alkalicznych, tym samym wytwarzając między innymi chlorowodór, co powoduje, że wolny chlor nie tworzy się w obszarze przegrzewaczy. Co najmniej ilości chloru ulegają zmniejszeniu w tym obszarze do absolutnego minimum. Innym sposobem jest modyfikacja składu mieszaniny paliwowej, np. poprzez zmniejszenie ilości składnika (składników) paliwa, które mogą prowadzić do dużej zawartości chlorków metali alkalicznych. W połączeniu z tymi środkami można także sterować układem regulacyjnym powietrza w celu zminimalizowania ilości reaktywnych chlorków w obszarze rur przegrzewacza.

PL 194 567 B1

Układ według wynalazku można także wykorzystać do pomiaru obecności i stężenia ditlenku siarki (SO2) w danym zakresie długości fali (200 - 310 nm), w szczególności w celu uniknięcia albo przeciwdziałania przedawkowaniu odpowiednio dodatków zawierających siarkę albo zasiarczonych paliw, bądź też alternatywnie w celu przeciwdziałania podejmowaniu innych działań, które mogłyby zwiększyć zawartość SO2 w kanale przepływu spalin do wartości powyżej założonych granic. Należy także wspomnieć, że wynalazek można wykorzystać do pomiaru stężenia gazowych chlorków metali innych niż tylko chlorki potasu albo sodu, np. chlorków metali ciężkich, takich jak chlorek cynku i ołowiu, gdyż te również wykazują charakterystyczną absorpcję promieniowania w zakresie długości fali 200 - 310 nm. W zakresie wynalazku można także mierzyć stężenie gazowych metali w postaci niezwiązanej, np. cynku metalicznego. Należy przewidywać obecność różnych postaci występowania cynku i ołowiu, szczególnie często w przypadku spalania paliw na bazie odpadów. Chlorki cynku i ołowiu mogą tworzyć osady popiołu o względnie niskiej temperaturze topnienia, np. 300°C, na rurach przegrzewacza służących do wymiany ciepła; wzmaga to korozję, jak również narastanie osadów. W szczególności mogą one tworzyć osady na rurach stanowiących część ekonomizera. Instalując urządzenie pomiarowe według wynalazku w pobliżu tego typu urządzeń zawierających rury, można mierzyć we właściwy sposób stężenie tych substancji, po czym wyniki pomiarów można wykorzystać do podjęcia działań mających na celu zmniejszenie ilości szkodliwych substancji, np. poprzez zmianę składu paliwa.

W tym kontekście można także wspomnieć, że fachowcy w tej dziedzinie potwierdzają teorię, mówiącą że ewentualna obecność dioksyn w dymach zależy od ilości chlorków metali alkalicznych. Tym samym, w zakresie wynalazku, można wykorzystać opisany układ pomiarowy do pośredniego - poprzez pomiar istnienia i stężenia chlorków metali alkalicznych - pomiaru istnienia oraz stężenia dioksyn, które są niebezpieczne dla środowiska.

Należy także zauważyć, że wynalazek może być zastosowany niezależnie od tego, czy ciepłownia ma przegrzewacze, czy też nie. Tym samym wynalazek można wykorzystać, jak podkreślono wyżej, wyłącznie do pomiarów związanych z ekonomizerem albo podgrzewaczem powietrza.

Mimo iż wynalazek przedstawiono na rysunkach w odniesieniu do dwóch konwencjonalnych typów elektrociepłowni, mianowicie ciepłowni z kotłami ze złożem fluidalnym odpowiednio typu BFB i CFB, może mieć on także zastosowanie w odniesieniu do innych typów zakładów realizujących spalanie, np. wykorzystujących technikę spalania rusztowego albo palniki do spalania rozpylonego paliwa.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przez ciepłownię taką, która ma pierwszą przestrzeń do spalania paliwa, urządzenie rurowe usytuowane w drugiej przestrzeni, znajdującej się za przestrzenią spalania patrząc w kierunku przepływu, przy czym to urządzenie rurowe zawiera rury, przez które może przepływać czynnik taki jak woda, powietrze lub para wodna, w celu ogrzania poprzez przenikanie ciepła ze spalin powstałych w procesie spalania, oraz komin usytuowany za tym urządzeniem rurowym do odprowadzania spalin z instalacji, znamienny tym, że w obszar w pobliżu urządzenia rurowego (5) wprowadza się promiennik (7') po jednej stronie tej drugiej przestrzeni (4) oraz odbiornik (7) promieniowania świetlnego po przeciwnej stronie tej drugiej przestrzeni (4), następnie łączy się odbiornik (7) promieniowania świetlnego ze spektrometrem (13) współpracującym z komputerem (14), kalibruje się spektrometr (13), w którym promieniowanie świetlne jest rozdzielane spektralnie, do rejestrowania widmowego rozkładu natężenia promieniowania w zakresie długości fali od 200 do 310 nm, a potem emituje się co najmniej jedną wiązkę (11) promieni nadfioletowych z promiennika (7') do odbiornika (7”) promieniowania świetlnego, i wykrywa się zasadniczo w sposób ciągły in situ stężenie metali i/lub chlorków metali w stanie gazowym, w spalinach podczas pracy instalacji.
2. 2. Sposób według zastirz. 1, znamienny tym, że rejestruje się w komputerze (14) dane dotyczące wykrytego stężenia metali i/lub chlorków metali w spalinach, wysyła się sygnał wyjściowy z komputera (14) do jednostki sterującej (27), sterującej jednym albo większą liczbą urządzeń zawartych w instalacji, zasilając paliwem i/lub doprowadzając powietrze do poszczególnych układów regulacji powietrza.
3. 3. Sposób według zassc^. 2, znamiennytym. że steruje się za pc^rm^r^cąjednosski sterΊLUącej ((27), jeżeli to konieczne, urządzeniem zasilającym (33) do podawania materiału redukującego chlorki metali w przestrzeni spalania.

   PL 194 567 B1
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wprowadza się materiał zawierający siarkę do paliwa, zmniejszając ilości chlorków metali alkalicznych w obszarze tego urządzenia rurowego.
5. 5. Urządzenie do pomiaru drogą spektrofotometrii stężenia szkodliwych gazów emitowanych przez ciepłownię taką, która ma pierwszą przestrzeń do spalania paliwa, urządzenie rurowe usytuowane w drugiej przestrzeni, znajdującej się za przestrzenią spalania patrząc w kierunku przepływu, przy czym to urządzenie rurowe zawiera rury, przez które może przepływać czynnik taki jak woda, powietrze lub para wodna, w celu ogrzania poprzez przenikanie ciepła ze spalin powstałych w procesie spalania, oraz komin usytuowany za tym urządzeniem rurowym do odprowadzania spalin z instalacji, znamienne tym, że w pobliżu urządzenia rurowego (5), po jednej stronie drugiej przestrzeni (4), znajduje się promiennik (7') emitujący co najmniej jedną wiązkę (11) promieni nadfioletowych do odbiornika (7) promieniowania świetlnego, usytuowanego po przeciwnej stronie drugiej przestrzeni (4), przy czym odbiornik (7) promieniowania świetlnego jest połączony ze spektrometrem (13) rozdzielającym widmowo promieniowanie, współpracującym z komputerem (14), przy czym spektrometr (13) jest skalibrowany do rejestrowania widmowego rozkładu natężenia promieniowania w zakresie długości fali 200 - 310 nm, stanowiąc układ zasadniczo ciągłego wykrywania in situ stężenia metali i/lub chlorków metali w stanie gazowym, w spalinach podczas pracy instalacji.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że spektrometr (13) stanowi miniaturowy spektrometr z układem diod.