POMIAR SKŁADU 

CHEMICZNEGO SPALIN 

Andrzej Wawszczak

42 631 25 97

andrzej.wawszczak@p.lodz.pl

JAKOŚĆ SPALANIA

Jakość procesu spalania jest określana na podstawie analizy składu spalin, 
który  zależy  od  rodzaju  paliwa  i  warunków  w  jakich  przeprowadzono 
spalanie.
W  przypadku  niezupełnego  spalania,  spowodowanego:  zbyt  małym 
strumieniem  powie-trza  doprowadzanym  do  paleniska,  niedostatecznym 
jego  wymieszaniem  z  paliwem  lub  zbyt  niską  temperaturą  w  palenisku  w 
spalinach  pojawiają  się  gazy  palne:  H

2

,  CH

4

  i  inne  węglowodory,  a  przede 

wszystkim  CO.  Obecność  gazów  palnych  w  spalinach  wyloto-wych  z  kotła 
powoduje tzw. straty niezupełnego spalania.
Dla  każdego  rodzaju  paliwa  jest  określona  niezbędnie,  potrzebna  do 
spalania, 

ilość 

powietrza 

na 

jednostkę 

paliwa, 

teoretyczne 

zapotrzebowanie  powietrza  v

pt

    [m

3

/kg],  które  zależy  od  elementarnego 

składu  paliwa.  W  warunkach  rzeczywistych,  do  przeprowadze-nia  procesu 
spalania, powietrze należy dostarczyć w nadmiarze: 

 v

pr 

=  · v

pt

gdzie:  - nadmiar powietrza, 

v

pr

 - rzeczywista ilość powietrza.

Temperatura  powietrza  dostarczonego  do  paleniska  jest  niższa  od 
temperatury spalin wylotowych, czyli powietrze podgrzewając się, odbiera 
z paleniska część ciepła. Każda zbędna ilość powietrza, nie biorąca udziału 
w  procesie  spalania,  wychodząc  z  kotła  unosi  do  atmosfery  część  ciepła, 
powodując powiększenie, tzw. straty wylotowej.
W celu ograniczenia tej straty oraz aby nie dopuścić do występowania strat 
niezupełnego  spalania,  wartość  nadmiaru  powietrza    przykładowo  w 

palenisku pyłowym jest utrzymy-wana w zakresie od 1,2 do 1,3 (1.4).

Przy  spalaniu  zupełnym  paliwa  z  nadmiarem  powietrza  -  w  spalinach 
pojawia  się  tlen  O

2

,  a  udział  objętościowy  dwutlenku  węgla  CO

2

,  zależnie 

od składu chemicznego paliwa, odpowiednio zmniejsza się.

Objętościowa zawartość: CO, CO

2

 i O

2

 w spalinach w funkcji wartości 

nadmiaru powietrza  przy spalaniu pyłu z węgla kamiennego w komorze 

paleniskowej. 

 zmiany nadmiaru powietrza w czasie ustalonej pracy kotła

 

dla węgla kamiennego: CO

2 

= 13,8%, O

2 

= 3,2%, SO

2 

= 0,2%, N

2 

= 73%, H

2

O 

= 9,8%,
dla węgla brunatnego: CO

2 

= 11,5%, O

2 

= 2,6%, SO

2 

= 0,1%, N

2 

= 61%, H

2

O 

= 24,8%. 

Nadmiar  powietrza    określić  można  na  podstawie  analizy  składu  spalin  z 

uproszczo-nych zależności: 

gdzie: N

2 

= 100 – (CO

2

+O

2

+CO). 

lub w przypadku spalania zupełnego:

gdzie: v

st

 - teoretyczna objętość spalin suchych przy =1, 

CO

2max

 - maksymalna zawartość CO

2

 w spalinach (przy =1) dla 

określonego 

składu paliwa. 

Wartość CO

2max

 orientacyjnie wynosi: 

• dla węgla kamiennego

- (18,519,1) %, 

• dla węgla brunatnego - (18,719,5) %.
W praktyce eksploatacyjnej korzysta się ze uproszczonych wzorów:

Dla  wyznaczenia  nadmiaru  powietrza należy  określić objętościowe  udziały 
składników 
w [%] w spalinach suchych.
Dla  wyznaczenia  nadmiaru  powietrza  na  podstawie  zawartości  CO

2 

w 

spalinach  jest  wy-magana  znajomość  elementarnego  składu  paliwa,  aby 
wyznaczyć CO

2max

. Wyznaczenie  na podstawie pomiaru zawartości O

2

 jest 

łatwiejsze. 























2

CO

O

N

79

21

21

2

2

1

1

CO

CO

v

v

2

max

2

pt

st























2

O

21

21







2

max

2

CO

CO





Poza 

energetycznym

  aspektem  analizy  składu  spalin,  występują  również 

aspekty 

ekolo

-

giczne

 i 

trwałości

 urządzeń energetycznych.

W warunkach spalania paliwa zawierającego siarkę występują w spalinach 
jej 

tlenki 

SO

2

 

i 

SO

3

, oznaczane ogólnie 

SO

X

. Trójtlenek siarki w połączeniu z parą wodną 

w spalinach tworzy kwas siarkowy 

H

2

SO

4

.

Krople  cieczy,  powstające  przy  kondensacji  kwasu  siarkowego,  posiadają 
duże  napięcie  powierzchniowe  -  utrudniające  powtórne  ich  odparowanie. 
Powoduje  to,  że  na  powierz-chniach  ogrzewalnych,  pomimo  małej 
koncentracji 

H

2

SO

4

  w  spalinach,  powstaje  duża  koncentracja  tego  kwasu, 

niszcząc elementy metalowe.
Podczas  spalania,  oprócz  tlenków  siarki,  powstaje  szereg  tlenków  azotu: 

NO

, 

NO

2

, 

NO

3

, które oznacza się ogólnie 

NO

X

.

Tlenki azotu

 podczas spalania powstają głównie w rezultacie utleniania się 

azotu  atmos-ferycznego  zawartego  w  powietrzu  doprowadzonym  do 
spalania 

oraz 

azotu 

zawartego 

w paliwie, szczególnie w wysokich temperaturach i w większej koncentracji 
O

2

.

Tlenki  azotu

  łączą  się  z  parą  wodną,  tworząc 

kwasy  azotowe

,  powodując 

niszczenie  hemoglobiny  krwi  w  organizmach  żywych.  Unoszone  do 
atmosfery  z  tlenkami  siarki,  opadają  na  ziemię  w  postaci  kwaśnych 
deszczów.

ANALIZATORY SPALIN

•

chemiczne

  pracujące  na  zasadzie  różnych  właściwości  chemicznych 

poszczególnych 

składników spalin,

•

fizyczne

  pracujące  na  zasadzie  różnych  właściwości  fizycznych 

składników spalin.
Analizatory spalin - kontrolują proces spalania: 

• ciągły pomiar składu chemicznego spalin, 

• dokładności, 

• czułości, 

• zakres pomiarowy, 

• szybkości odpowiedzi, 

• niewrażliwości na wymuszenia zewnętrzne, 

• niezawodności, 

• wysoka selektywność. 

Selektywność

  -  zdolność  wyróżnienia  składnika  mieszaniny  gazu  na 

podstawie  jego  indywidualnej  właściwości  (wartości  ciepła  spalania, 
przewodności  cieplnej,  gęstości  itp.).  Jeżeli  właściwość  ta  jest  mniej 
powszechna,  bardziej  niepowtarzalna  oraz  mniej  wrażliwa  na  zmiany 
wielkości  wpływających  (np.  temperatury),  tym  wybrana  zasada  analizy 
będzie bardziej selektywna.

Klasyfikacja analizatorów spalin:

•

chemiczny  objętościowy

  -  pochłanianie  określonych  składników  przez 

odczynniki 

chemiczne,

•

termochemiczny

  -  pomiar  ciepła  reakcji  spalania  palnych  składników 

mieszanin,

•

termokonduktometryczny

  -  wykorzystanie  różnicy  przewodności  cieplnej 

składników 

mieszaniny  (katarometr  –  cieplno-przewodnościowy 

detektor (TDC)),

•

magnetyczny

  - wykorzystanie paramagnetycznej  właściwości tlenu,

•

absorpcyjny  optyczny

  -  wykorzystanie  absorpcji  promieniowania 

elektromagnetyczne-

go  w  zakresie  podczerwieni  (InfraRed  -  IR)  lub 

ultrafioletu (UltraViolet - UV),

•

emisyjny  optyczny

  -  wykorzystanie  fluorescencji  ultrafioletowej  (UV)  lub 

chemilumines- cencji, 

•

elektrochemiczny

  -  wykorzystanie  zjawisk  zachodzących  na  elektrodach 

stężeniowego  ogniwa chemicznego.

Rodzaje analizatorów

Analizowany składnik gazu 

Rodzaj analizatora 

S0

2

  NO

X

  CO  C0

2

 

0

2

  HCl  CH

X

 

Absorpcyjny IR 

x 

x 

x 

x 

 

x 

 

Absorpcyjny UV 

x 

x 

 

 

 

 

 

Fluorescencyjny UV 

x 

 

 

 

 

 

 

Chemiluminescencyjny 

 

x 

 

 

 

 

 

Płomieniowo-jonizacyjny 

 

 

 

 

 

 

x 

Elektrochemiczny 

x 

x 

x 

 

x 

x 

 

Magnetyczny 

 

 

 

 

x 

 

 

Termokonduktometryczny 

 

 

 

x 

 

 

 

Termochemiczny 

 

 

x 

 

 

 

 

Chemiczny 

x 

x 

x 

x 

x 

x 

 

 

ANALIZATORY ABSORPCYJNE

Wykorzystują 

zdolność 

absorpcyjną 

promieniowania 

elektromagnetycznego  w  ściśle  określonym,  charakterystycznym  dla 
analizowanej  substancji,  przedziale  długości  fal  elektromagnetycznych 
(widmo absorpcji). 
Absorbowana 

przez 

substancję 

część 

promieniowania 

elektromagnetycznego  zwiększa  energię  ośrodka.  Zależnie  od  chemicznej 
struktury związków substancji pobudzeniu podlegają albo same cząsteczki, 
atomy lub elektrony. 

Rozkład widma względnej wartości absorpcji a niektórych gazów w funkcji 

długości fali 

Widmo  absorpcji  może  znajdować  się  w  obszarze  podczerwieni  (gazy 
wieloatomowe),  widma  widzialnego  (roztwory  barwne)  -  metoda 
kolorometryczna oraz nadfioletu (Cl

2

, NO

2

, H

2

S, pary Hg itp.). 

Gazy  dwuatomowe:  O

2

,  N

2

,  H

2 

Cl

2

  oraz  jednoatomowe  gazy  szlachetne  nie 

pochłaniają promieniowania podczerwonego.
Jeżeli 

przez 

warstwę 

pochłaniającą 

o 

grubości 

l 

przechodzi 

monochromatyczna wiązka promieniowania, wówczas ulega ona absorpcji, 
przy czym między natężeniem promieniowania I

0

 na wejściu do ośrodka, a 

natężeniem promieniowania I



 na wyjściu, zachodzi zależność, wynikająca z 

prawa Lamberta-Bourgera:

I

 

=I

0 

 exp(-a

 

 C  l)

gdzie  a



 - współczynnik absorpcji,

C - stężenie składnika pochłaniającego.

Można zbudować 

jedno-

 lub 

dwustrumieniowy

 analizator gazu. 

Dla 

analizatora jednostrumieniowego

 stężenie składnika:

jest uzależnione od natężenia promieniowania źródła I

0

.

l

a

I

I

ln

C

0











W 

analizatorze

 

dwustrumieniowym

  jedna  wiązka  promieniowania  (wiązka 

porównawcza)  jest  przepuszczana  przez  ośrodek  porównawczy  o  znanym 
stężeniu  C’  - 

różnicowa  meto-da  pomiaru

,  i  wówczas  stężenie  składnika 

wynosi:

gdzie: 

I



’  -  natężenie  promieniowania  na  wyjściu  z  ośrodka 

porównawczego. 

Jeżeli  w  ośrodku  porównawczym  brakuje  składników  o  właściwościach 
składnika  bada-nego,  wówczas  C’ = 0.  Według 

metody  różnicowej

 

(ewentualnie  zerowej)  pracują  obecnie  wszystkie  tego  typu  analizatory 
przemysłowe.
Charakterystyczne  widma  pochłaniania  niektórych  gazów  pokrywają  się 
lub  leżą  blisko  siebie,  np.  CO

2

  i  CO  dla    (4  5)  m,  co  wskazuje,  że 

zdolność  absorpcji  może  być  właściwością  małoselektywną.  Dla 
zwiększenia  selektywności  są  stosowane  dodatkowe  zabiegi.  Zmieniający 
się  udział  pary  wodnej  w  spalinach  również  może  wpływać  na  dokładność 
analizatora.

l

a

I

I

ln

C

C

















Uproszczone schematy analizatorów działających na zasadzie 

pochłaniania promieniowania: 

a) w układzie jednostrumieniowym, b) w układzie dwustrumieniowym:

 

1 - źródło promieniowania, 2 - układ optyczny, 3 i 3' - kuweta pomiarowa i 
porównawcza, 4 i 4' - detektory promieniowania, 5 - układ wzmacniający, 6 - układ 
wyjściowy (miernik)

 

Wiązka  promieniowania  wychodząca  ze  źródła  promieniowania  (1),  po 
przejściu  przez  układ  optyczny  (2),  w  kuwecie  pomiarowej  (3)  jest 
częściowo  pochłaniana.  Natężenie  promieniowania  na  wyjściu  z  kuwety, 
zależnie  od  stężenia  badanego  składnika,  jest  określone  detektorem 
promieniowania (4).

ANALIZATOR PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO 

NIEDYSPERSYJNY Z SELEKTYWNYM DETEKTOREM

Schemat analizatora gazowego

1, 1’ - promienniki żarzeniowe, 2 - wirująca tarcza modulująca z otworami, 3 - kuweta 
pomiarowa, 
3’ - kuweta porównawcza, 4, 4’ - komory pochłaniające napełnione gazem, którego 
skład jest mierzony (wzrost temperatury i ciśnienia), 5 - silnik napędowy tarczy, 6 - 
okładka kondensatora w postaci elastycznej przegrody, 7 - okładka kondensatora w 
postaci sztywnej perforowanej przegrody, 8 - układ elektroniczny, 9 - analizowany 
gaz, 10 - miernik wywzorcowany w objętościowej zawartości mierzonego składnika 
mieszaniny gazowej (spalin).

 

ANALIZATORY ELEKTROCHEMICZNE 

Wykorzystują zjawisko generowania się siły elektromotorycznej w ogniwie 
chemicznym (stężeniowym) z elektrolitem ciekłym lub stałym. 
W  elektrolicie  przewodnictwo  elektryczne  odbywa  się  na  drodze 
przewodnictwa  jonowego,  które  polega  na  uporządkowanym  przepływie 
cząstek  atomów  lub  drobin  obdarzonych  ładunkiem  elektrycznym.  W 
odróżnieniu od przewodnictwa elektronowego, w przewodnictwie jonowym, 
przenoszenie ładunku jest związane z przenoszeniem masy. 
Wzrost temperatury powoduje wzrost prędkości przemieszczenia się jonów, 
co jest zwią-zane ze wzrostem przewodnictwa elektrolitu. 

Stężeniowe ogniwo tlenowe: 

a) zasada działania, b) charakterystyka ogniwa - siła elektromotoryczna w funkcji 
zawartości O

2

 

w spalinach i temperatury t,
1 - elektroda obmywana gazem porównawczym, 2 - elektroda obmywana gazem 
analizowanym. 

Analizator  O

2

  -  analizator  elektrochemiczny  ze  stałym  elektrolitem  - 

dwutlenkiem  cyrkonu  ZrO

2

  z  dodatkiem  trójtlenku  itru  Y

2

O

3

,  pokryty 

obustronnie  platyną    w  postaci  siatki  lub  pojedynczych  drutów, 
stanowiących elektrody ogniwa. 

)

O

(

p

)

O

(

p

ln

F

n

T

R

E

2

2

2

1









gdzie

R - stała gazowa, 8,314 J/(K  mol), 

T - temperatura gazu, K,
F - stała Faradaya, 96485 C/mol
n - liczba elektronów biorących udział w reakcji (n = 4), 
p

1

(O

2

), p

2

(O

2

) - ciśnienie cząstkowe tlenu w gazie odniesienia, w gazie 

analizowanym, (aktywność molowa).

Jeżeli  stężenia  tlenu  po  obu  stronach  elektrolitu  będą  jednakowe,  to 
procesy  w  ogniwie  zanikają.  Działanie  ogniwa  ma  miejsce  dzięki  zasilaniu 
tlenem  zawartym  w  powietrzu.  Jeżeli  z  jednej  strony  elektrolitu  jest  gaz 
odniesienia  o  znanym  stężeniu  tlenu,  a  z  drugiej  strony  gaz  analizowany, 
to można w sposób ciągły mierzyć zawartość tlenu w mieszani-nie.
Wartość  SEM  E  powstającej  na  elektrodach  ogniwa  określa  równanie 
Nernsta:

Schemat sondy tlenowej 

(stężeniowego ogniwa elektrochemicznego ze stałym elektrolitem – ZrO

2

).

 

1 - elektrolit stały, 2, 2’ - elektrody platynowe, 3 - termoelement płaszczowy (NiCr-
Ni), 4 - grzejnik elektryczny (t = 650

o

C), 5 - rura ceramiczna, 6 - ściana kanału 

spalinowego, 7 - filtr ceramiczny, 
8 - regulator temperatury, 9 – zasilacz. 

Niepewność pomiaru wynosi (1÷2)%.
Analizatory  elektrochemiczne  pracujące  w  temperaturze  otoczenia  z 
ciekłymi  lub  synte-tycznymi  elektrolitami  są  wykorzystywane  w 
analizatorach: NO

X

, SO

X

, O

2

 i CO.

LITERATURA