Kovács Viktória Barbara Gázelemző készülékek Kovács Viktória Barbara BMEGEENAG51 és BMEGEENAG71

Káros anyag emisszió mérés Káros anyagok Emisszió mérőrendszer In-situ (in-stack, cross-stack) Ex-situ (extraktív, mintavételezés) Mintavevő műszerek követelményei Elemzők NDIR (CO, CO2, CH4, ….) FID (THC, CxHy, VOC) PMD (O2) (H)CLD (NO, NOx,) Cellás mérőrendszer Kromatográfia Régebbi mérőrendszerek

Tüzelés során keletkező szennyező Anyagok CO2 :üvegházhatás CO : mérgező (fulladás már ~700ppm-től) THC (VOC, PAH) sokféle káros tulajdonság vegyületfüggő: pl:metán: üvegházhatás, de az aromások rákkeltők NOx (NO, NO2, N2O): SOx (SO2, SO3): (Dioxin, furán vegyületek: teratogén, mutagén) savas ülepedés

In-situ mérés – Helyszíni mérés NOx reduction with SCR_SICK.mp4: https://www.youtube.com/watch?v=pxiRC44tN70 Előny Nem kell mintát előkészíteni Kis holtidő Hátrány Drágábba felszerelés Több komponens mérése kritikus Nedves állapotot mér

Ex-situ - Mintavevő rendszer Előny Mérés a kibocsátástól messze is megoldható Több rendszer is üzemeltethető egyszerre Kis koncentrációk is mérhetők Hátrány Több egységből épül fel Nagy holtidő Korrózió, vezetékeldugulás veszélye Vízkicsapódás (befagyhat, korrózió) Korom lerakódás („cső emlékezik”)

Mérőműszerek követelményei Lehetőleg fizikai elven mérjen (kémiai is lehet) Gyors legyen (min. mp-es reakcióidő) Időben stabil legyen Megfelelő érzékenységgel rendelkezzen Szelektív legyen Keresztérzékenysége kicsi legyen Lineáris karakterisztikájú legyen Időjárástól független legyen Védett legyen Lehetőség szerint olcsó legyen

Infravörös spektroszkópia Az infravörös spektroszkópia, mely a rezgési spektroszkópia egyik formája, az analitikai kémia egy elemzési módszere, a színképelemzés  tárgykörébe tartozik. A módszer lényege, hogy a vizsgálandó mintát besugározzuk infravörös EM sugárzással λ: 780 nm –1000 μm  (f: 300 GHz – 384 THz) mintán áteső, vagy a mintáról visszaverődő, a minta molekuláris tulajdonságai által módosított sugárzás változását a megfelelő detektorok jelkülönbségén mérjük Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés

NDIR (Non-dispersive infrared absorption) NDIR szenzor Elvi felépítése http://www.tsi.com/iaq/appnote/ndir_co2.shtml IR_1.avi: https://www.youtube.com/watch?v=DDTIJgIh86E

NDIR (Non-dispersive infrared absorption) http://www.signalinstruments.com NDIR.avi: https://www.youtube.com/watch?v=a2dEYmW0xys

NDIR (Non-dispersive infrared absorption) http://www.signalinstruments.com

NDIR (non-dispersive infrared absorption) Infravörös abszorpciós mérési elv http://www.mdpi.com/1424-8220/13/6/7079/htm

NDIR – CO2 IR_3.avi: https://www.youtube.com/watch?v=FR9DFkenWUU http://www.raesystems.com

Infravörös abszorpciós mérési elrendezés Gas Filter Correlációs IR (GFC) módszer http://www.cambustion.co.uk

FTIR - Furier Transformed IR Spectroscopy A gázállapotú molekulák a rájuk jellemző frekvencián rezegnek. A rezgésekhez tartozó frekvencia az adott molekula energiaállapotát jellemzi. Az infravörös besugárzás hatására a molekula egy magasabb energiaállapotba kerül, miközben a rá jellemző frekvencián sugárzást nyel el. Az FTIR-spektrométer széles spektrális tartományban gyűjt egyidejűleg spektrális adatokat. A fényforrásból, ami a mérendő hullámhosszak teljes spektrumát tartalmazza, egy interferométeren keresztül jut a fény a mintára, ahonnan kilépő fény spektruma pillanatról-pillanatra más. Minden pillanatban megmérik, hogy az így besugárzott energia mekkora részét nyeli el a minta. A nyers adatoknak (interferogram) tényleges spektrummá alakításához a Fourier-transzformációt alkalmazzák. A folyamat eredménye az IR abszorbciós spektrum, mely egyedileg azonosíthatóvá teszi a molekulát.

FTIR - Furier Transformed IR Spectroscopy A molekulák a rájuk jellemző abszorbciós spektrumukkal azonosíthatók. Kivételt képeznek a kétatomos gázmolekulás, mint az O2, N2, H2, Cl2, F2, és a nemesgázok, valamint a nagyon alacsony abszorbciós képességű H2S. Az abszorbció mértéke arányos az adott komponens koncentrációjával (Lambert-Beer törvény) HCl molekula a 2880 cm-1 hullámszámon rezeg Abszorbancia ___________ fénysebesség Frekvencia = hullámhossz Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés

NDIR/ FTIR összehasonlítás Gas Filter Correlációs IR Egy szűrő által meghatározott keskeny frekvenciasávban mér Egy szűrővel csak egy komponens mérhető Többkomponensű gázkeverékek további szűrők alkalmazását teszik szükségessé További szűrők használata további kalibrációt feltételez. IR_2.avi https://www.youtube.com/watch?v=DDTIJgIh86E Fourier Transform Infrared (FTIR) A Spektrometer egyidejűleg a teljes spektrumon mér és teljes elnyelési spektrumot állít elő. Egyidejűleg számos molekula vizsgálható Ugyanazok az optikai eszközök használhatóak bármely komponens mérésére, nem szükséges minden komponensre kalibrálni. Kertész Károly: Folyamatos gázelemzés

NO+O3 → (1-n)·NO2+ n·NO2*+O2 Kemilumuneszcencia A nitrogénoxid molekula ózon hatására nitrogén dioxiddá oxidálódik, miközben a nitrogén-dioxid molekulák egy arányos része gerjesztett állapotba kerül. NO+O3 → (1-n)·NO2+ n·NO2*+O2 A gerjesztett állapotból a stabil állapotba történő átalakulás során a molekula fényenergiát bocsát ki. A kibocsátott fényt egy detektorral elektromos jellé alakítva a koncentrációval arányos jel mérhető. NO2* → NO2+ hv

CLD (Chemiluminescent Detector) Alapja: NO+O3→NO2*+O2 Chemiluminescence magic.mp4: https://www.youtube.com/watch?v=8_82cNtZSQE www.emersonprocess.com

NOx mérés NO+O3→NO2*+O2 Konverzió hatásfoka hőmérséklet függő 1- O2 vagy levegő; 2- ózon generátor; 3- reakció kamra; 4- foto elektronsokszorozó; 5- kijelző; áram ellátás; 7- NOx konverter (üvegszerű fűtött szén-ágy); 8- szűrő; 9- minta; 10- NO

NOx mérés NO+O3→NO2*+O2

FID - Flame Ionisation Detector A szerves kötésben lévő szén hidrogénlángban bekövetkező ionizációján alapul. A FID által mért ionáram függ az égésgáz lángjában elégő szerves vegyületek szénatomjainak számától, a kötési formától (egyenes vagy elágazó lánc) és a kötési partnerektől (~1 a 105-ből képez iont). A válaszjelfaktor a detektor specifikus felépítésétől és a beállított üzemeltetési körülményektől függ. A következő ábra azt az elvet mutatja be, amikor a detektorban a gázmintát olyan hidrogénlángba vezetik, ami egy egyenfeszültségű elektromos térben helyezkedik el. A gázminta elégése egy specifikus ionáramot kelt, melyet megfelelő műszerrel mérnek.

FID égőfelépítése I. CH + O  CHO+ + e- Mérhető áram: 10-12A Minta nélkül: 10-14A Detektor válaszjel ~ mérendő *107 Érzékenysége 10-2 TCD-hez képest http://www.srigc.com Fid.swf http://www.chromedia.org/dchro/swf/ZsxnjdeIW.swf

FID égőfelépítése II. CH + O  CHO+ + e- +200-300V a lángnál http://www.srigc.com

FID – láng felépítése

Fid - Lángionizációs detektor CH + O  CHO+ + e- http://www.synspec.nl

UV-Fid CH + O  CHO+ + e- http://www.synspec.nl

Oxigén mérse - Paramágneses detector A kiegyenlítetlen, páratlan spínű elektronokkal rendelkező atomok, mint az oxigén paramágnesességet mutatnak, azaz az ilyen atomokra a külső mágneses tér vonzást gyakorol. A füstgázok egyéb összetevői nem vagy nagyon kis mértékben rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, ezért alkalmas az oxigén szelektív mérésére. Meghatározott geometriájú mérőcellát mágneses térbe helyezve a paramágneses tulajdonságú molekulák egyirányú áramlása idézhető elő. Az áramlás mértékét érzékelő detektor mérőjele arányos a gázkeverék oxigéntartalmával.

PMD (ParaMagnetic Detector) www.fic-net.co.jp

PMD (Paramágneses detektor) Keresztérzékenység O2 +100 Nitrogen -0.42 Air +21 (száraz) Chlorine -0.13 CO2 -0.61 Hydrogen -0.12 Argon -0.58 Acetylene -0.38 Ammonia N2O Ethane -0.83 NO +43.8 Methane -0.37 NO2 +28.0 www.fic-net.co.jp

O2 mérés alternatív megoldása Cirkónium szonda 1- levegő; 2- füstgáz; 3- érzékelő; 4- elektrolit (cirkónium-dioxid); 5- füstgáz oldal; 6-referencia oldal; 7- oxigén ionáram Oxygen Sensor.avi: https://www.youtube.com/watch?v=Fl3aD1qJrEg&list=UUycARi6zsqrcC0M90gdve5A

Cellás mérőrendszerek Testo 350 – SO2 aktív szén, arany - CO, platina –platina Keresztérzékenység CO SO2 NO NO2 H2S 100 65 30 -60 340 2 -100 200 5 15 18 -1 -5 20 7 -20 Anód: CO+H2O -> CO2+2H++2e- Katód: ½ O2+2H++2e- -> H2O

Gázkromatográfia Oszlop v. Kolonna Vivőgáz http://web.mit.edu/12.000/www/finalpresentation/experiments/gcms.html GC Columns.avi: https://www.youtube.com/watch?v=q0pM-k0SvOQ

Gázkromatogram

Gázok hővezetési tényezőjének különbözősége alapján működő készülék: Régebbi mérőműszerek Gázok hővezetési tényezőjének különbözősége alapján működő készülék: ha mérő és a referencia csatornában nem azonos gáz van az másképp fogja hűteni az ellenállásokat, a mérendő gáz koncentrációjával arányosan megváltozik az ellenállása a mérőcsatornában az ellenállásnak Gyakorlatban: Wheatstone-híd 4 db azonos platina huzalokkal. 2-2 a mérő és a referencia csatornában van, ellenállás változást mér itt is

Égés során felszabaduló hő hatása alapján működő készülék: Régebbi mérőműszerek Égés során felszabaduló hő hatása alapján működő készülék: a mintagázban lévő éghető gáz, a nagy hőmérsékletű katalizátor mellett áramolva elég, a felszabaduló hőáram pedig a katalizátor hőmérsékletének emelkedését okozza, ami arányos a mintagázban lévő vizsgált éghető gáz koncentrációjával Gyakorlatban: Wheatstone-híd platina huzalokkal, egyik referencia a másik a mérő, + 2 hőmérsékletváltozásra érzéketlen ellenállás

Duplex-Mono készülék: Orsat készülék : Régebbi mérőműszerek Duplex-Mono készülék: CO2 meghatározása elnyeletés alapján Orsat készülék : elnyelető oldat, mintagáz térfogatcsökkenéséből lehet következtetni az egyes komponensek mennyiségére CO + SO2 -KOH O2 -lúgos pirogallol oldat CO -ammóniás rézklorid

Kémiai elven működő készülék: Régebbi mérőműszerek Kémiai elven működő készülék: A vizsgálandó gázt egy reagenssel töltött üvegcsövön áramoltatják át. Gázok meghatározott reagenssel történő reakciója során a reagens eredeti színe megváltozik. Az elszíneződő csőhosszúság a gázkoncentrációra jellemző. A üvegcsövön, lévő skálán a gázalkotó mennyisége leolvasható. A szonda csak egyszer használható ilyen az alkohol szonda

Kérdések Melyek az égéstermékben előforduló legjelentősebb légszennyezők és miért károsak? Az égéstermékek (füstgázok, kipufogógázok) milyen előkezelését igénylik a emisszió mérő műszerek? Hogyan mérjük a O2 koncentrációt ? Hogyan mérjük a CO2 koncentrációt ? Hogyan mérjük a CO koncentrációt ? Hogyan mérjük a NOx koncentrációt ? Hogyan mérjük a THC koncentrációt ?

Kovács Viktória Barbara Köszönöm a figyelmet! Kovács Viktória Barbara kovacs@energia.bme.hu D207B 06 1 463 2592