AT520343B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung flüchtiger Partikel aus einem Probengas - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung flüchtiger Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen, unverdünnten Probengas. Die Vorrichtung weist einen katalytischen Reaktor (3) auf, dem das Probengas über eine Probenleitung (9) zugeführt wird. Der katalytische Reaktor (3) weist zur Vereinheitlichung des Massenabsorptionskoeffizienten der Feststoffpartikel eine Graphitisierungseinrichtung (7) auf.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ENTFERNUNG FLÜCHTIGER PARTIKEL AUS EINEM PROBENGAS

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung flüchtiger Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen Probengas, wobei die Vorrichtung einen katalytischen Reaktor aufweist, dem das Probengas über eine Probenleitung zugeführt wird.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen Probengas, wobei ein mit Partikein geladenes Abgas einem Abgasstrom mit konstantem Volumenstrom entnommen wird, und wobei die flüchtigen Partikel im Probengas und an der Partikeloberfläche der Feststoffpartikel adsorbierte flüchtige Bestandteile in einem katalytischen Reaktor entfernt werden.

[0003] Vorrichtungen der eingangs genannten Art und die damit durchgeführten Verfahren sind insbesondere im Zusammenhang mit der Charakterisierung und Messung von Aerosolen im Abgas von Verbrennungsmotoren bekannt und zumindest zum Teil auch bereits Gegenstand sowohl von nationalen als auch von regionalen und internationalen Prüfvorschriften, Normen und dergleichen. Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere solche von Dieselmotoren, enthalten bekanntermaßen nicht nur klassische Aerosole (im Sinne von flüchtigen Schwebeteilchen), sondern ein Gemisch aus festen und flüchtigen Schwebeteilchen in einem Trägergas. Zur Bestimmung der Masse der Feststoffpartikel (vorwiegend Ruß) kommt sowohl die Filtermessung (Wiegen, Ermittlung der Schwärzung) zum Einsatz als auch optische Messmethoden (z.B. basierend auf dem photoakustischen Prinzip) bei denen unter anderem der Massenabsorptionskoeffizient der Feststoffpartikel die charakteristische Größe darstellt.

[0004] Rußpartikel können sich hinsichtlich ihres Absorptionskoeffizienten in einer gewissen Bandbreite unterscheiden, was sich in einem unterschiedlichen Grad der Schwärzung zeigt. Die Schwärzung hängt dabei von der Nanostruktur der kohlenstoffhaltigen Partikel ab, sowie von flüchtigen Bestandteilen im Abgas, die an der Partikeloberfläche adsorbiert (chemisch gebunden) sein können.

[0005] Der Stand der Technik bezüglich der Rußpartikelmessung wird beispielsweise in der Veröffentlichung „An Inter-Comparison of Instruments Measuring Black Carbon Content of Soot Particles“, Jay G. Slowik et al., Aerosol Science and Technology, 41:295-314, 2007, diskutiert. Darin werden verschiedene optische Messverfahren zur Charakterisierung von Ruß aus einem Verbrennungsprozess miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass unterschiedliche Partikelbeschaffenheiten und dünne Oberflächenbeschichtungen Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Ruß haben.

[0006] Die Zusammensetzung von Ruß wird in der Dissertationsschrift „Oxidationsreaktivität von Rußen: Einfluss intern gemischter Mineralien sowie Kraftstoff- und Abgaszusammensetzung“ von Henrike Bladt, Technische Universität München, Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie, Lehrstuhl für analytische Chemie, 2013, thematisiert.

[0007] Unterschiedliche Graphitisierungsgrade von Rußpartikeln aus Verbrennungsprozessen sind bekannt und in der obengenannten Literatur dokumentiert. Die Unterschiede in der Graphitisierung sind dabei aber immer auf unterschiedliche Prozessbedingungen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Additive im Kraftstoff, unterschiedliche Einspritzbedingungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Motor etc.) zurückzuführen, bei denen die Rußpartikel entstehen.

[0008] Eine weitere Möglichkeit zu Erzeugung von Aerosolen mit Kohlenstoffpartikeln ist der Funkenrußgenerator. Hierbei werden zwei Graphitelektroden in einer Schutzgasatmosphäre unter Spannung gelegt. Der relativ kurze Abstand führt dazu, dass Funken zwischen den Elektroden überspringen. Dabei werden Kohlenstoffatome aus den Elektroden herausgerissen, die dann zu Partikeln agglomerieren. Eine thermische Behandlung wie sie untenstehend beschrie-

ben ist, hat überraschenderweise gezeigt, dass diese auch Einfluss auf die Partikelmessung hat. Es lässt sich zeigen, dass die Vergleichbarkeit zwischen Aerosolen mit Partikeln aus einem Funkenrußgenerator besser wird, wenn diese thermisch behandelt werden.

[0009] WO 2004/046517 A2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Echtzeitmessung von Masse, Größe und Anzahl von Feststoffpartikeln von Feinstaub in Motorabgasen.

[0010] AT 13 239 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung flüchtiger Partikel aus einem Probengas, wobei eine Entfernungseinrichtung vorgesehen ist, die einen Verdampfer und einen in Strömungsrichtung hinter dem Verdampfer angeordneten Katalysator aufweist.

[0011] Es ist das Ziel der gegenständlichen Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit denen die Messgenauigkeit bei der Rußpartikelmessung verbessert werden kann.

[0012] Dieses und weitere Ziele werden durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erzielt, bei der der katalytische Reaktor eine Graphitisierungseinrichtung aufweist. Dadurch lässt sich eine Vereinheitlichung der Massenabsorptionskoeffizienten der kohlenstoffbasierten bzw. -haltigen Feststoffpartikel wie z.B. Ruß insbesondere bei optischen Messverfahren erzielen, wo störende Auswirkungen der Abweichungen des Massenabsorptionskoeffizienten von Ruß aus unterschiedlichen Verbrennungsprozessen bzw. -bedingungen auf das Messergebnis verhindert werden. Durch die erfindungsgemäß erzielte Vereinheitlichung der optischen Eigenschaften der Partikel wird insbesondere die Genauigkeit optischer Messmethoden erhöht.

[0013] Bei Untersuchungen haben die Erfinder herausgefunden, dass unterschiedliche Graphitisierungsgrade auch signifikante Auswirkungen auf das Messergebnis haben können, insbesondere bei photoakustischen Messzellen. Es wurde herausgefunden, dass es möglich ist den Graphitisierungsgrad zu beeinflussen und damit Rußpartikel-Quellen nahezu unabhängig mit verschiedenen Messprinzipien zu charakterisieren, wie z.B. dem photoakustischen Prinzip, Kondensationspartikelzähler, "Diffusion Charger"-Prinzip. Hinsichtlich Kalibrierung und Messung ergibt sich dadurch eine verringerte Messunsicherheit.

[0014] In vorteilhafter Weise ist die Graphitisierungseinrichtung ausgebildet, um die Nanostruktur der Feststoffpartikel durch chemische und/oder thermische und/oder katalytische Beeinflussung zu graphitisieren. Bekannte Messsysteme können ohne übermäßigen technischen Aufwand mit diesen Merkmalen ergänzt werden.

[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Graphitisierungseinrichtung eine Heizeinheit aufweisen, welche die Temperatur des Probengases auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 600 °C erwärmt. In Abstimmung mit der Verweildauer kann dadurch das Ausmaß der Graphitisierung mit hoher Genauigkeit parametrisiert werden. Die Verweildauer kann beispielsweise durch eine Regelung des Durchflusses und/oder durch eine Veränderung der Längen der Rohrleitungen beeinflusst werden.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Graphitisierungseinrichtung eine Strahlungseinheit aufweisen, welche elektromagnetische Strahlung an die Feststoffpartikel abgibt. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmt werden und begünstigt die Graphitisierung.

[0017] In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Graphitisierungseinrichtung weiters eine Zuleitung zum Einbringen von Gase aufweisen, welche die Graphitisierung vorteilhaft beeinflussen. Als Gase können beispielsweise reaktante Gase eingebracht werden. Es kann aber auch das Einleiten von inerten Gasen (z.B. Stickstoff) sinnvoll sein, um z. B. die Oxidation von Ruß vor allem bei höheren Temperaturen (500-600°C) zu vermeiden.

[0018] Um die Wirkung auf das Probengas bzw. auf die Partikel zu erhöhen, kann der katalytische Reaktor in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform im Bereich der Graphitisierungseinrichtung eine katalytische Oberfläche aufweisen, die in einer die Oberfläche maximierenden Form, insbesondere in Form einer Wabenstruktur, angeordnet ist. Neben der Graphitisierung können somit im katalytischen Reaktor unter Zuhilfenahme der katalytischen Oberflächen flüchtige Bestandteilen aus dem Abgas und von der Partikeloberfläche entfernt werden, wodurch

eine Graphitisierung der Rußpartikel begünstigt wird.

[0019] Das eingangs genannte erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostruktur der Graphitebenen der Partikel zur Vereinheitlichung des Massenabsorptionskoeffizienten graphitisiert wird.

[0020] Die Graphitisierung kann dabei in vorteilhafter Weise durch ein Erwärmen des Probengases auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 600 °C erfolgen.

[0021] Weiters kann zur Erzielung und/oder Begünstigung der Graphitisierung elektromagnetische Strahlung in das Probengas eingebracht werden.

[0022] In einer vorteilhaften Ausführungsform können zur Begünstigung der Graphitisierung Gase in das Probengas eingeleitet werden. Die Graphitisierung kann beispielsweise durch Einleitung reaktanter und/oder inerter Gase beeinflusst werden. Da die Einleitung solcher Gase eine Verdünnung des Aerosols und damit eine Anderung des spezifischen Partikelparameters (z.B. Partikelmassenkonzentration, Partikelanzahlkonzentration) bezüglich des Gasevolumen bewirkt, sollte sie geregelt oder in einer konstanten Weise erfolgen.

[0023] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Fig. 1 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigt.

[0024] In Fig. 1 ist eine grundlegende Anordnung zur Bestimmung von Kennwerten eines partikelgeladenen Gasstromes, wie z.B. die Masse von Rußpartikel, der Massenabsorptionskoeffizient etc., gezeigt. Der Gasstrom (angedeutet durch den Pfeil 12), z.B. Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, strömt durch eine Leitung 1 und ist ein Aerosol aus festen und flüchtigen Schwebeteilchen. Durch ein Entnahmerohr 2 wird ein Probengas als Teilstrom des Gasstromes abgezweigt und dem katalytischen Reaktor 3 über eine Probenleitung 9 zugeführt (angedeutet durch den Pfeil 13). Der katalytische Reaktor 3 weist eine Graphitisierungseinrichtung 7 auf. In dem mit der Graphitisierungseinrichtung 7 versehenen katalytischen Reaktor 3 werden sowohl die flüchtigen Partikeln im Probengas und an der Rußpartikeloberfläche adsorbierte flüchtige Bestandteile entfernt als auch der Massenabsorptionskoeffizient der Rußpartikel durch die Graphitisierung vereinheitlicht. Danach kann das Probengas einer Sensoreinrichtung 4 zugeführt werden, um die zu messenden Kennwerte des Probengases zu erfassen.

[0025] Der Volumenstrom des Probengases durch den katalytischen Reaktor 3 kann über eine Strömungsbegrenzungseinrichtung 5 und eine Pumpe 6 eingestellt werden.

[0026] Hierzu ist anzumerken, dass es nicht möglich ist, sämtliche flüchtigen Partikel vollständig zu entfernen bzw. die Nanostruktur aller Rußpartikel in einen vollständig definierten Zustand zu überführen. Unter „Entfernen“ wird daher die Entfernung von zumindest 50% der flüchtigen Partikel bzw. unter Graphitisieren die Graphitisierung von zumindest 60% der Rußpartikel verstanden, um eine korrekte Analyse des Probengases in der Sensoreinrichtung 4 zu ermöglichen.

[0027] Ein einheitlich hoher Grad an Graphitisierung zeichnet sich dadurch aus, dass weitestgehend keine amorphen Kohlenstoffstrukturen mehr in der Struktur vorhanden sind und Kohlenstoffatome in Form der sp“ Konfiguration von Kohlenstoff mit Graphitstruktur gebunden sind.

[0028] Als „graphitisiert“ kann ein Partikel im Zusammenhang mit der gegenständlichen Erfindung dann angesehen werden, wenn die Abweichung des Massenabsorptionskoeffizienten des Partikels um weniger als +/- 10% vom durchschnittlichen Massenabsorptionskoeffizienten der Partikel im vom katalytischen Reaktor 3 abgegebenen Gasstrom abweicht.

[0029] Die Graphitisierungseinrichtung 7 in dem katalytischen Reaktor 3 weist eine Heizeinheit 8 mit einer elektrischen Temperaturstabilisierung auf, um das Abgas und die darin befindlichen Partikel auf eine definierte Temperatur zwischen 150°C - 600°C aufzuheizen. Die Parametrisierung der Temperatur und der korrespondierenden Verweildauer kann durch Testmessungen ermittelt werden. Beispielsweise ist für eine Veränderung der Nanostruktur der Graphitebenen von „ungeordnet“ bzw. „grob orientiert“ zu „geordnet“ bzw. „stark ausgeprägte Orientierung“ nur

durch thermische Energie eine Mindestverweildauer von 0,4 s bei 350°C notwendig um zumindest einen Konvertierungsgrad von zumindest 60% zu erreichen. Die jeweils erforderlichen Parameter können vom Fachmann auf Basis von routinemäßigen Arbeiten und Versuchen ermittelt werden.

[0030] Über eine zusätzliche Zuleitung 10 können reaktive Gase wie etwa NO, NO», O», Os, NO, etc. (angedeutet durch den Pfeil 14) wahlweise eingeleitet werden, um die Konzentration an flüchtigen Bestandteilen im Abgas mit größerer Geschwindigkeit zu reduzieren.

[0031] Die Verdampfung von chemisch gebundenen flüchtigen Bestandteilen an der Oberfläche von Feststoffpartikel / Rußpartikel kann zusätzlich oder alternativ zur Heizeinheit 8 durch die Verwendung einer Strahlungseinheit 11, welche elektromagnetische Strahlung in einem auf die Partikel abgestimmten Wellenlängenbereich in den Gasstrom einbringt, beschleunigt werden.

[0032] Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung führt im Wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte aus:

[0033] - Mit Partikeln geladenes Abgas wird einem Abgasstrom mit konstantem Volumenstrom entnommen (saugend);

[0034] - Das entnommene Abgas wird durch eine beheizte Probenleitung 9 dem katalytischen Reaktor 3 zugeführt;

[0035] - Das Probengas wird im katalytischen Reaktor 3 thermisch und chemisch (katalytisch) behandelt;

[0036] - Die Nanostruktur der Graphitebenen der Partikel wird zur Vereinheitlichung des Massenabsorptionskoeffizienten graphitisiert;

[0037] - Die modifizierten und bzgl. des Massenabsorptionskoeffizienten vereinheitlichten Rußpartikel werden danach der eigentlichen Sensoreinrichtung 4, vorzugsweise ein optisches Messsystem, welches sensitiv auf den Massenabsorptionskoeffizienten ist, zugeführt.

[0038] Die besonderen Merkmale von Ruß, nach der Aufbereitung gemäß der gegenständlichen Erfindung, sind die weitestgehend einheitlichen optischen Eigenschaften, insbesondere die des Massenabsorptionskoeffizienten.

[0039] Weiters weist der Ruß keine adsorbierten flüchtigen Bestandteile an der Partikeloberfläche auf, die Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben könnten, bzw. sind diese adsorbierenden flüchtigen Bestandteile nur mehr in vernachlässigbarem Ausmaß vorhanden.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Entfernung flüchtiger Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen Probengas, wobei die Vorrichtung einen katalytischen Reaktor (3) aufweist, dem das Probengas über eine Probenleitung (9) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Reaktor (3) eine Graphitisierungseinrichtung (7) aufweist.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitisierungseinrichtung (7) ausgebildet ist, um die Nanostruktur der Oberflächen der Feststoffpartikel durch chemische und/oder thermische und/oder katalytische Beeinflussung zu graphitisieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitisierungseinrichtung (7) eine Heizeinheit (8) aufweist, welche die Temperatur des Probengases auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 600 °C erwärmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitisierungseinrichtung (7) eine Strahlungseinheit (11) aufweist, welche elektromagnetische Strahlung an die Feststoffpartikel abgibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitisierungseinrichtung (7) eine Zuleitung (10) zum Einbringen von Gasen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kataIytische Reaktor (3) im Bereich der Graphitisierungseinrichtung (7) eine katalytische Oberfläche aufweist, die in einer die Oberfläche maximierenden Form, insbesondere in Form einer Wabenstruktur, angeordnet ist.

7. Verfahren zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen unverdünnten Probengas, wobei ein mit Partikeln geladenes Abgas einem Abgasstrom mit konstantem Volumenstrom entnommen wird, und wobei die flüchtigen Partikel im Probengas und an der Partikeloberfläche der Feststoffpartikel adsorbierte flüchtige Bestandteile in einem katalytischen Reaktor entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostruktur der Graphitebenen der Partikel zur Vereinheitlichung des Massenabsorptionskoeffizienten graphitisiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitisierung durch ein Erwärmen des Probengases auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 600 °C erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung und/oder Begünstigung der Graphitisierung elektromagnetische Strahlung in das Probengas eingebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begünstigung der Graphitisierung Gase in das Probengas eingeleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen