Testo Academy: Analýza spalin – 1. část

Spalování je konverze primární chemické energie obsažené v palivu (např. uhlí, ropa, zemní plyn nebo dřevo) na teplo (sekundární energii) oxidačním procesem. Spalování je proto technický pojem pro chemickou reakci mezi kyslíkem a spalitelnou složkou obsaženou v palivu, doprovázenou uvolněním energie. Spalovací procesy probíhají za vysokých teplot (až 1000 °C i výše). Kyslík potřebný pro spalování pochází ze vzduchu přiváděného do spalovacího procesu. Ze spalovacího procesu se uvolňuje určité množství plynu (nazývaného spaliny) a určité množství zbytků (popel, škvára), v závislosti na druhu paliva.

Oxidace

je pojem pro všechny chemické reakce kyslíku jinými látkami. Při oxidačních procesech dochází k uvolňování energie a jsou velmi důležité jak v oblasti techniky (např. spalování), tak v oblasti biologických procesů (např. dýchání).

Nejběžnější jednotky měření spalin

V analýze spalin se běžně používají hmotnostní a částicová koncentrace. Jednotka hmotnosti je gram (mg, µg, atd.) a velmi populární částicovou koncentrací je ppm. Koncentraci v ppm lze přepočítat na hmotnostní [mg·Nm^–3] použitím standardní hustoty plynu. Z tohoto důvodu je nutné brát koncentraci kyslíku jako referenční hodnotu, na kterou musí být všechny hodnoty koncentrace přepočteny, jinak není možné je porovnat. Proto se v oficiálních emisních limitech vždy uvádí referenční koncentrace kyslíku, na kterou se musí hodnoty přepočítat. Pro přepočet je nutné znát aktuální koncentraci kyslíku ve spalinách.

ppm (parts per million, část z milionu)

Jednotka měření ppm

10 000 ppm = 1 %
1 000 ppm = 0,1 %
100 ppm = 0,01 %
10 ppm = 0,001 %
1 ppm = 0,0001 %

Tato jednotka představuje určitý poměr jako například procenta (1 % je setina, 1 ppm je miliontina). Tak jako počet procent znamená „počet prvků ve stovce prvků“, udává jednotka ppm „počet prvků v milionu prvků“. Pokud je tedy například v tlakové lahvi 250 ppm oxidu uhelnatého (CO), znamená to, že ­pokud bychom z tlakové lahve odebrali milion dílků plynu, bylo by mezi nimi 250 dílků CO. Zbývajících 999 750 dílků by obsahovalo dusík a kyslík. Jednotka ppm závisí na tlaku a teplotě a používá se při udávání nižších koncentrací, vyšší koncentrace se udávají v % podle uvedeného přepočtu.

mg · Nm^–3 (miligramy na normovaný krychlový metr)

V případě této jednotky se za základ považuje normovaný objem (normovaný krychlový metr, Nm³) a množství škodlivého plynu se vyjádří v miligramech (mg). Protože tato jednotka závisí na tlaku a teplotě, vztahuje se na objem za normálních podmínek, tedy:

• teplota: 0 °C
• tlak: 1013 mbar (hPa)

Tento údaj však stále není jednoznačný, protože jednotlivé objemové podíly ve spalinách se mění podle podílu kyslíku („zředění“ kouřových plynů okolním vzduchem). Přímo lze porovnávat jen údaje zjištěné při stejném obsahu kyslíku, proto musejí být naměřené veličiny přepočteny na určitý – vztažný – objem kyslíku. Pro přepočet z ppm na mg·Nm^–3 je třeba změřit také obsah kyslíku (O₂) ve spalinách. Následují vzorce pro přepočet oxidu uhelnatého (CO), oxidů dusíku (NO_x) a oxidu siřičitého (SO₂) při referenčním obsahu kyslíku_.

Vzorce pro přepočet na mg · Nm^–3

Konstanty, použité ve vzorcích, odpovídají normálním hustotám plynů v mg·Nm^–3.

Typické složení spalin

Složky kouřových plynů jsou zde uvedeny v pořadí, v jakém se jejich koncentrace vyskytují v kouřových plynech.

Dusík (N₂)

Dusík je hlavní složkou vzduchu (79 objemových %). Jedná se o bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu. Do spalovacího procesu se dostává jako součást spalovacího vzduchu, avšak přímo se procesu spalování ne­účastní. V procesu působí jako balastní materiál a přenašeč ztraceného tepla. Do atmosféry odchází v nezměněné podobě, kromě té části, která zreaguje na oxidy dusíku (viz dále).

Oxid uhličitý (CO₂)

Oxid uhličitý je bezbarvý plyn, bez zápachu, se slabou kyselou chutí. Vzniká ve všech spalovacích procesech (vyjma spalování čistého vodíku) a také při dýchání. Významně přispívá k posílení skleníkového efektu, díky jeho schopnosti filtrace tepelného záření. V atmosféře je jeho koncentrace asi 0,03 %, při koncentraci nad 15 % dochází ke ztrátě vědomí.

Vodní pára (vlhkost)

Vodík (H₂), obsažený v palivu, se vylučuje po spálení (oxidaci kyslíkem) ve formě vody (H₂O). Ta odchází, spolu s vodou obsaženou v palivu, v závislosti na teplotě spalin (TS), ve formě páry (při vysokých teplotách spalin) nebo jako kondenzát (při nízkých teplotách spalin).

Kyslík (O₂)

Zbytkový kyslík, který nebyl spálen, se měří jako součinitel přebytku vzduchu, který se používá pro výpočet účinnosti spalování. Používá se také pro výpočet komínové ztráty a obsahu CO₂.

Oxid uhelnatý (CO)

Oxid uhelnatý je bezbarvý plyn, bez zápachu, toxický. Vytváří se především při nedokonalém spalování fosilních paliv a dalších uhlíkatých materiálů. V atmosféře není pro člověka nebezpečný, protože rychle reaguje s kyslíkem na CO₂. V uzavřeném prostoru se ovšem jedná o velmi nebezpečný plyn, již při vdechování koncentrace 700 ppm dojde za krátkou dobu k smrti. Limitní hodnota pro pracovní prostory je 50 ppm.

Oxidy dusíku (NO_x)

Při vysokých teplotách hoření se dusík (N₂), obsažený v palivu a v okolní atmosféře, váže se vzdušným kyslíkem (O₂) na oxid dusnatý (NO). Tento bezbarvý plyn působením volného kyslíku (O₂) po čase oxiduje na oxid dusičitý (NO₂). NO₂ je ve vodě rozpustný jedovatý plyn, jehož vdechování vede k těžkému poškození plic. Působením ultrafialového záření (sluneční světlo) přispívá ke tvorbě ozonu. Souhrn podílů NO a NO₂ se označuje jako „NO_x“.

Oxid siřičitý (SO₂)

Je bezbarvý toxický plyn, s dráždivým zápachem. Vzniká oxidací síry v palivu. Pro pracovní prostředí je limit 5 ppm. S vodou reaguje za vzniku kyseliny siřičité (H₂SO₃) nebo sírové (H₂SO₄), které jsou obě zodpovědné za různá poškození přírody nebo budov (kyselé deště). K odstranění oxidů síry se používají vypírací technologie_.

Uhlovodíky (C_xH_y nebo HC)

Uhlovodíky jsou široká skupina sloučenin, které se skládají z uhlíku a vodíku a jsou nejdůležitějšími sloučeninami v organické chemii; v přírodních palivech se vyskytují v ropě, uhlí a zemním plynu. Emise C_xH_y mohou vznikat při jejich zpracování (např. rafinérie), použití i likvidaci, například rozpouštědla, plasty, palivo motorů apod. Zdrojem uhlovodíků jsou také nedokonalé spalovací procesy (např. cigarety, požáry lesů). Uhlovodíky přispívají k posílení skleníkového efektu. Mezi uhlovodíky patří statisíce sloučenin, příkladem může být metan (CH₄), butan (C₄H₁₀) nebo benzen (C₆H₆), nebo i silně karcinogenní sloučeniny, např. benzo[a]pyren. Koncentrace všech uhlovodíků ve spalinách se většinou vyjadřuje a měří jako „celkový organický uhlík“.

Pevné částice (prach, saze)

Pevné částice ve spalinách pocházejí z nespalitelných složek pevného nebo kapalného paliva. Obsahují oxidy křemíku, hliník a vápník (v případě uhlí), nebo sírany různých prvků v případě těžkých olejů. Prach je nebezpečný pro lidské zdraví, protože se na něj mohou zachytávat toxické a karcinogenní sloučeniny.

Kontrolní otázka:

• Jaká je koncentrace CO₂ v atmosféře vyjádřená v ppm (vycházejte pouze z textu v článku)?

Další díl spojený s analýzou spalin připravujeme na podzim.
V příštím čísle se budeme věnovat chladicímu okruhu.

Zdroj: Praktické příručky testo.