УДК 543.271

СТАЦІОНАРНИЙ ЦИРКОНІЄВИЙ АНАЛІЗАТОР

КИСНЮ У ДИМОВИХ ГАЗАХ

Василенко В.С.,. Гончар В. М., Кривошей В. І., Цокало В. Ф.,

 АТ "Украналіт", м. Київ, Україна

            Розглянуто проблему оптимального використання вуглеводного палива  шляхом підвищення коефіцієнта корисної дії теплових агрегатів. Описано математичну модель, особливості розробки та експлуатації вітчизняного газоаналізатора 151ЭХ02

         Вступ

Проблема оптимального використання вуглеводного палива на сьогоднішній день в світовій практиці є однією з найбільш гострих, як для підвищення ефективності роботи теплоагрегатів, так і для збереження чистоти довкілля.

Витрати тепла, в основному, визначаються параметрами димових газів, а саме, температурою та коефіцієнтом витрати повітря (a), і частково  хімічною неповнотою згоряння, тобто присутністю  горючих компонентів (оксиду вуглецю, водню та вуглеводів). Необхідність спалювати паливо при a близькому до 1,0 викликається потребою забезпечити найбільш ефективну та економічну роботу теплоагрегата [1].

Контроль a при мінімальному вмісті оксиду вуглецю, забезпечується вимірюванням вмісту кисню в димових газах.

Таким чином для ведення оптимального процесу горіння виникає потреба постійно контролювати вміст кисню в  димових  газах при всіх режимах роботи теплоагрегата і видавати відповідні сигнали керування в систему регулювання співвідношення паливо/повітря.

Постановка задачі

Відсутність сенсорного обладнання, навіть на котлах великої потужності, не дозволяє врахувати вплив зміни температури і вологості повітря, калорійності та вологості палива, що призводить до значних втрат палива і збільшення викидів токсичних газів (,  та інш.) в атмосферу. В наш час розробкою та масовим випуском устаткування для контролю кисню в димових газах зайняті ряд провідних світових фірм ( Rosemount, Sick, Servomex та інші.). Однак вартість таких аналізаторів досить висока для масового споживача в нашій країні (від $8 000 до $12 000).

Найбільш поширений у світі сенсор кисню – електрохімічний, у якому в якості твердого електроліту використовується діоксид цирконію зі стабілізуючими домішками. Такий сенсор діє при температурах, вищих за 600 ºC. Його використовування дозволяє проводити вимірювання вмісту кисню безпосередньо в газоході (іn sіtu) і, таким чином, уникнути складних систем пробовідбору та пробопідготовки. Означений твердоелектролітний сенсор (ТС) досить мініатюрний і має вигляд диску, трубки або пробірки з електродами (зазвичай Pt), що наносяться на протилежні поверхні електроліту.

Перед нами стояла задача розробити вітчизняний аналізатор, який за технічними характеристиками не поступається закордонним аналогам, а за ціною значно менший.

 

Вирішення задачі

При розробці стаціонарного цирконієвого аналізатора був проведений аналіз параметрів розробленої математичної моделі вимірювальних перетворювачів на основі (ТС), що використовуються у газоаналізаторах [2, 3]. Як правило, ТС має вигляд диску, закріпленого у металевій втулці (рис. 1).

Для побудови математичної моделі скористаємося принципом, моделювання, описаним у роботі [2].

У камері 1 концентрація кисню підтримується сталою, дорівнюючи атмосферній (таке припущення відповідає реальним умовам експлуатації), в той час як у камері 2 парціальний тиск кисню залежить від вмісту кисню у димових газах, тобто, весь час змінюється. На поверхні ТС нанесені пористі платинові електроди (). ТС закріплений всередині втулки за допомогою спеціального клею, що забезпечує компенсацію різниці коефіцієнтів теплового розширення втулки та ТС [4], ізолює камеру 1 від камери 2.

Внаслідок існування різниці парціальних тисків кисню у камерах 1 та 2 на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Схема роботи ТС на основі діоксиду цирконію

електродах ТС за відсутності прикладеної напруги має встановитись електрорушійна сила (Е) згідно із законом Нернста:

де:  – парціальний тиск кисню у камері 1;

– парціальний тиск кисню у камері 2;

– універсальна газова стала;

– температура ТС;

– стала Фарадея.

Одразу слід зауважити, що завжди, тобто потік кисню має лише один напрямок руху. Далі слід зробити такі припущення:

1. Твердий електроліт має лише іонну провідність (у електролітах з діоксиду цирконію стабілізованого оксидом ітрію ri= 0,99 [4]);

2. Проникнення кисню в твердий електроліт існує лише вздовж градієнта концентрації кисню (кисень не втягується стінками втулки, а твердий електроліт має на всій поверхні однакові умови для дифузії кисню);

3. Не існує градієнта температур всередині ТС вздовж вісі OХ;

4. Оскільки електроди ТС є пористими, то всі електродні процеси відбуваються на трифазній межі газ-електроліт-електрод;

5. ТС симетричний відносно вісі OХ.

            При розробці математичної моделі враховані такі фізичні процеси:

– рух молекул кисню вздовж ТС (вісь OХ)

– дифузія кисню в твердому електроліті.

Запишемо рівняння балансу мас всередині твердого електроліту (в основу математичної моделі покладено закон збереження мас) [2]:

 

 

            При цьому швидкості вхідного та вихідного потоків значно вищі ніж швидкість дифузії кисню у твердий електроліт та з нього.

Потік іонів кисню крізь елемент поверхні ТС, згідно з першим законом Фіка запишеться:

,

            де  – коефіцієнт проникності кисню у твердий електроліт, залежить від температури;

            – градієнт концентрації кисню в твердому електроліті.

Швидкість накопичення кисню у твердому електроліті має таку форму:

,

            де  – коефіцієнт розчинності кисню у твердому електроліті;

 – площа реакційної зони на поверхні електроліту, дорівнює у нашому випадку площі електрода А1;

– відповідно, концентрації кисню в електроліті в момент t та в початковий момент часу.

Тоді модель ТС згідно [2] буде мати такий вигляд, як описано в [2]:

 =

=,

де  – площа реакційної зони на поверхні електроліту, дорівнює у нашому випадку площі електрода А2(у загальному випадку);

             – може змінюватись від 0 до h.

В нашому випадку важливу роль грають процеси у всій товщині ТС, тобто мусимо взяти значення концентрації кисню на поверхні А1, отже,  = 0, а у другій складовій потрібно врахувати концентрацію кисню на поверхніА2, тому . При підстановці отримуємо:

=

=                                              (1)

з початковими умовами:  = = const,

=+ , =;

            де , – відповідно, концентрації кисню на поверхні А1 та А2 у нульовий момент часу. Якщо взяти до уваги той факт, що швидкості потоків кисню, який потрапляє на електроди, значно більші, ніж швидкість його дифузії в ТС [4], то це дає нам таку форму рівняння (1):

                                       (2)

= 0, оскільки  – стала величина(~21%об.).;

де  – коефіцієнт дифузії кисню у твердому електроліті, є коефіцієнтом Арреніуса [2]:, ,

,  та  – відповідно енергія активації, стала Больцмана та абсолютна температура, а  – коефіцієнт дифузії при нескінченно великій температурі.

Підставляючи замість першої складової рівняння (2) відповідне значення, можемо його замінити на:

де  – швидкість потоку кисню, що витікає з ТС;

– концентрація кисню на поверхні А2. Така заміна є раціональною ще й тому, що концентрація кисню у зоні трифазної реакції з боку камери 2 є величиною, що залежить лише від часу. Швидкість потоку кисню, що витікає залежить від умов виміру (тяга, робоча температура) і є сталою величиною для конкретного ТС. Таким чином отримуємо таку форму рівняння (2):

 =

Після спрощення отримуємо кінцеве рівняння математичної моделі ТС

            з початковими умовами наведеними вище та граничними:

            ; =const

Як можна побачити, права частина є незмінною величиною, причому не більшою за одиницю (за умови  ). Таким чином, зміна концентрації кисню у твердому електроліті лінійно залежить від зміни концентрації кисню у камері 2 при усталеній температурі. Це значить, що для ТС такого типу швидкість зміни концентрації кисню у твердому електроліті, а, відповідно, і швидкість відгуку на зміну інформативного параметру буде зростати із зменшенням товщини електроліту. Але слід зауважити, що надмірне зменшення цього параметру приведе нас до плівкового ТС, а також змінить його механічні властивості, що може шкідливо відзначитись на його якості. Аналогічного ефекту можна досягти й зменшенням площі реакційної зони  (або збільшенням ), проте існує обмеження. При значному зростанні співвідношення  зростають відповідно й струми переносу, а це може призвести до досягнення критичних струмів та поляризаційних явищ, що є небажаним. Можливо регулювати швидкість реакції сенсора за допомогою зменшення швидкості витоку кисню з ТС, але у цьому випадку є ризик досягти тих меж, коли швидкість вихідного потоку буде порівняна із швидкістю дифузії кисню з твердого електроліту у газову фазу у камері 2, що взагалі не розглядалось у рамках моделі, а практично призведе до повної зміни характеристик ТС. Збільшенням температури у зоні реакції можна також досягти зростання коефіцієнта дифузії, проте кожен елемент має свою критичну температуру, за якою він змінює як свої електрохімічні, так і механічні властивості, так що й ця величина може бути регульована лише у чітко визначених межах. Тільки комплексне регулювання всіх цих параметрів (зміна конструктивних параметрів ТС) здатна розв’язати проблему оптимальної швидкодії при збереженні наявних експлуатаційних характеристик.

Використання такого ТС дало змогу розробити первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) занурювального типу, що дозволяє його розміщення безпосередньо в зоні димових газів з температурою до 600ºС.

Дифузійний захід димових газів реалізується за допомогою металокерамічного фільтра. ПВП виготовлений з жаростійкої нержавіючої сталі у вигляді зонду з фланцем. Довжина занурювальної частини в залежності від параметрів газоходу котла має варіантне виготовлення.

Для перетворення Е ТС, яка пропорційна об'ємній частці кисню в димових газах, в електричний сигнал, був розроблений проміжний перетворювач (ПП). ПП виконаний в уніфікованому корпусі із хімічно стійкого полікарбонату. До складу ПП входить програмований контролер для каналу вимірювання вмісту кисню, діоксиду вуглецю, ефективності горіння та температури димових газів. Контролер забезпечує обробку та управління інформаційними сигналами, що надходять від первинних вимірювальних перетворювачів та відображення їх в цифровій формі.

   

На рис. 2 зображений зовнішній вигляд аналізатора 151ЭХ02, який розроблений в АТ «Украналіт».

В розробці було втілено оригінальне технічне рішення для стабілізації робочої температури ТС, захищене 4 патентами України. Газоаналізатор 151ЭХ02 має сертифікат відповідності засобів вимірювальної техніки затвердженого типу.

 

Рисунок 2 – Газоаналізатор 151ЭХ02

            Висновки

            Розроблений цирконієвий аналізатор кисню 151ЭХ02 дає можливість в системах автоматичного керування процесом горіння за допомогою аналогових сигналів (0 – 5) мА або (4 – 20) мА, а також інтерфейсу RS 232 проводити корекцію по кисню, оптимізувати співвідношення паливо/повітря з метою економії витрат палива до (5 – 7) %, зменшити токсичні викиди в навколишню атмосферу та підвищити ефективність горіння палива. Крім того, при експлуатації аналізатора зменшується вартість комплексних еколого-технологічних та ремонтно-налагоджувальних робіт.

Проте вимірювання лише кисню недостатньо для оптимізації співвідношення паливо/повітря. Для забезпечення найбільшої ефективності горіння палива потрібно вимірювати вміст монооксиду вуглецю, який є продуктом горіння палива та несе інформацію про умови горіння. Таким чином, тільки одночасно вимірюючи вміст кисню та монооксиду вуглецю, можливо досягти найвищої ефективності процесу горіння при робочих умовах.

Вимірювання вмісту монооксиду вуглецю в димових газах в основному проводиться за допомогою закордонних оптичних аналізаторів. Розробка вітчизняного недорогого і простого в експлуатації стаціонарного аналізатора на СО є актуальною задачею вітчизняного аналітичного приладобудування.

Аналіз існуючих методів вимірювання оксиду вуглецю (електрохімічний, напівпровідниковий та інші) показує, що на основі цих методів з різних причин неможливо розробити стаціонарний аналізатор на СО в димових газах з відповідними технічними вимогами. Для вирішення цієї задачі, на нашу думку, найбільш придатний метод низькотемпературного термокаталізу.

 

Література

1. Чепель В. Н., Шур И. А. Сжигание газов в топках котлов и печей" Л.,"Недра", 1980.– 591с

2. Таланчук П.М., Фомин М.Н., Сергеев В.В. Моделирование и оптимизация на ЭВМ изме

      рительных преобразователей.– К., Вища школа, 1991. – 250с.

3. Бабак В.П., Халдецький В.С., Шрюфер Е. Обробка сигналів. – К.,  Либідь, 1996. – 392с.

4. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов.  –М.:   Химия, 1978. – 311с.

Василенко В.С., Гончар В. М., Кривошей В.И., Цокало В. Ф.

Стационарный циркониевый анализатор кислорода в дымовых газах

Рассмотрена проблема оптимального использования углеводородного топлива путем повышения коэффициента полезного действия тепловых агрегатов. Описана математическая модель, особенности разработки и эксплуатации отечественного газоанализатора кислорода 151ЭХ02

 

Vasylenko V.S., Gonchar V.N., Krivoshey V.I., Zokalo V.F.

Stationary zirconium the analyzer of oxygen in gases smoke.

The problem of optimum use carbogydrate of fuel by increase of coefficient of efficiency of thermal aggregate (CE) is considered. The mathematical model, feature of development and operation of domestic analyzer of gas 151EC02 is described

Надійшла до редакції

2 листопада 2004 року