DD205004A1 - Sonde zur entnahme heisser und verschmutzter gase - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasentnahmesonde fuer industrielle Anwendungsfaelle, mit deren Hilfe aus einer Anlage stark verschmutzte Gasproben hoher Temperatur kontinuierl. entnommen und weiteren Aufbereitungseinrichtungen sowie dem eigentlichen Gasanalysator zugefuehrt werden koennen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entnahmeeinrichtung zu schaffen, die einen einfachen u. wartungsfreundlichen Aufbau besitzt und auch bei hohen Temperaturen und starker Feststoffbelastung des Messgases eine grosse Standzeit aufweist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das gesamte Entnahmerohr einer Gasentnahmesonde als ein mit einem Druckluftinjektor betriebenes Inertialfilter ausgebildet ist, das aus zwei ineinander geschobenen keramischen Rohren besteht, sobei das aeussere aus gasdichtem und das innere aus gasdurchlaessigem, feinporigem Material besteht.

Description

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Sonde zur Entnahme heißer und verschmutzter Gase

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Torrichtung zur Probenahme von Rauchgasen und anderen Industriegasen, die überwiegend sowohl eine sehr hohe Temperatur als auch einen hohen Verschmutzungsgrad aufweisen. Derartige Vorrichtungen, nachfolgend Gasentnahmesonde genannt, sind Bauglieder kompletter Analysenmeßanlagen, die der kontinuierlichen Konzentrationsbestimmung einer oder mehrerer Gaskomponenten in Industriegasen dienen und somit gerade in jüngster Zeit unter dem Aspekt der Energie- und Rohstoffeinsparung sowie des Umweltschutzes zunehmende Bedeutung erlangt haben.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Pur die Entnahme von industriellen Gasen, die einem kontinuierlich arbeitenden automatischen Analysator zum Zwecke der Konzentrationsbestimmung einzelner Komponenten zugeführt 7/erden, ist eine Vielzahl von technischen Lösungen bekannt. Häufig sind aus Zweckmäßigkeitsgründen bereits Meßgasaufbereitungsarmaturen in die Sondenkonstruktion integriert

Die Notwendigkeit der Einschaltung von Aufbereitungsvorrich-

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tungen, wie Kühler, filter oder Trockner, in den Meßgasweg resultiert aus der Tatsache, daß der Zustand des technischen Gases in der Hegel weit entfernt ist von den Betriebsparametern, die von den Herstellern für die Gasanalysatoren angegeben werden.

Die dominierenden Probleme bei der Gasentnahme sind eine starke Verschmutzung des zu analysierenden Gases durch feste, flüssige oder kondensierende Stoffe sowie u. U. eine hohe Temperatur am Meßort. Je nach Verschmutzung des Meßgases setzt sich die Entnahmesonde, die im einfachsten Fall aus einem Rohrstück besteht, mehr oder weniger schnell zu. Dies bedingt begrenzte Standzeiten der verwendeten Sonden, einen hohen Wartungsaufwand sowie einen häufigen Ausfall der Analysenmeßanlage. Sehr hohe Temperaturen, wie sie z. B. in der Glas- und Metallindustrie vorkommen, haben eine Plastifizierung des Sondenmaterials zur Folge und können im Extremfall zu einem Abknicken und somit zur Zerstörung der Sonde führen. Dieser Pakt spielt insbesondere bei Entnahmesonden aus hochlegierten Stählen in Temperaturbereichen oberhalb 900 ⁰C eine Rolle.

Erste technische Lösungen (DE-OS 1187398, DE -OS 1598346, DE-OS 1813381, DE-OS 1815063) stellen Vorrichtungen dar, in denen auf mechanischem Wege, z. B. durch Schubstangen, Förderschnecke odgl., anhaftende Partikel gelöst und in den Entnahmeraum rückbefördert werden sollen. Jedoch werden durch diese Einbauten zusätzliche Flächen geschaffen, an denen ein Absetzen der Schmutzteilchen erfolgen kann.

Wirkungsvoller sind die Varianten von Entnahmesonden, bei denen das Meßgas vor Eintritt in die Sonde einen versprühten Wasserschirm, passieren muß (DE-OS 2406638) bzw. gleichzeitig mit Hilfe eines Wasserstrahlinjektors angesaugt und transportiert wird (DE-OS 1808886). Neben einer sehr guten Rei-

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nigung bietst sich hier der Vorteil der Kühlung sowohl des Meßgases als auch der Sonde selbst. Von großem Nachteil ist dagegen eine Meßwertverfälschung in den Fällen, in denen die Meßkomponente bzw. eine andere Gaskomponente in Wasser löslich ist. Eine Rückrechnung über die Löslichkeit der jeweiligen Gaskomponenten ist von vielen Paktoren abhängig und deshalb aufwendig und mit großen Fehlern behaftet. Verwandt mit diesen Ausführungsformen von Entnähmevorrichtungen sind die für hohe Temperaturen konzipierten Sonden, in denen in einem metallischen Doppelmantel oder ähnlichen Konstruktionen Kühlwasser bzw. Wasserdampf geführt wird, wobei in der Regel aus Sicherheitsgründen ein durchflußgeregelter Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist (DD-PS 147966, DE-OS I64883O, DE-OS 1815045, DE-OS 1934028, DE 2117796). Derartige Sonden gestatten eine Gasentnahme bis etwa 1500⁰C. Weniger von Vorteil ist dagegen die unerwünschte starke Kühlung des Meßgases selbst sowie der große bauliche und apparatetechnische Aufwand dieser Vorrichtungen.

Breitere Anwendung haben auch Sonden aus keramischen Materialien gefunden, da hier mit einfachen Mitteln ein Einsatz in Gasen bis etwa I6OO 0 realisiert werden kann und sine ausgezeichnete chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien gegeben ist. Probleme entstehen durch die geringe Temperaturwechselbeständigkeit sowie die Sprödigkeit der verwendeten Materialien. Eine Vergrößerung der Entnahmerohrdurchmesser zum Zwecke der Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit hat sehr negative Auswirkungen auf die Dynamik der Analysenmeßanlage. Es sind technische Lösungen bekannt, die vorrangig auf eine Erhöhung des Widerstandsmomentes des keramischen Entnähmerohres zielen (DE-OS 2102496, DE-OS 1286315).

Zur Reinigung des Meßgases existiert weiterhin eine große Gruppe von Entnahmevorrichtungen, in denen eine Abscheidung der Verunreinigungen durch Erzeugung geeigneter strömungs-

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technischer Effekte vorgesehen ist. In der Regel wird hierbei eine weit größere Gasinenge aus dem Entnahmeraum angesaugt, als für die Gasanalyse notwendig ist und die kinetische Energie des überschüssigen Gases für eine Staubabscheidung als auch eine Rückführung der Staubpartikel in den Entnahmeraum ausgenutzt. Derartige Entnahmevorrichtungen, wie sie z. B. in den DE-OS 1623081, DE-OS 1773858 und DE-OS 2438857 beschrieben sind, weisen eine Gemeinsamkeit auf, daß sie einen komplizierten Aufbau und durch eine innige Berührung von Frischgas und Rückspülgas und den damit verbundenen Konzentrationsaustausch eine wenig gute Dynamik besitzen.

Letztgenannten Nachteil weist die in der DE-OS 2920195 vorgestellte Sonde nicht auf. Sie besteht aus einem Tragrohr, das gleichzeitig als Rückblaserohr Verwendung findet und an dessen Spitze ein Grobfilter aufgeschraubt ist. Ein parallel verlaufendes Sammelrohr ist in der Nähe der Sondenspitze mit dem Tragrohr verbunden. Eine mit Druckluft betriebene Injektordüse im Sammelrohr saugt einen großen Gasstrom aus dem Tragrohr in den Sntnahmeraum zurück. In Strömungsrichtung vor der Injektordüse befindet sich ein sogenanntes Inertialfilter, das hier als feinporiger keramischer Hohlzylinder ausgebildet ist. Das innen mit hoher Geschwindigkeit durchströmte Inertialfilter ist von einem Stahlmantel umgeben, aus dem das eigentliche Analysengas angesaugt wird. Der Geschwindigkeitsvektor, der parallel zur inneren Oberfläche des Inertialfilters liegt, beträgt das Vielfache des Geschwindigkeitsvektors, der aus der Absaugung des Analysengases durch das Filter resultiert, so daß die mitgeführten Schmutzpartikel nur einen geringen Impuls erhalten, um in die Filterporen einzutreten. Zum anderen werden evtl. anhaftende Teilchen durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit vom Gasstrom wieder mitgerissen· Neben der zu erwartenden großen Standzeit dieser Sonde ist als besonderer Vorteil zu nennen, daß sie keine Bauteile, wie Pumpen oder Gebläse be-

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nötigt, die auf Grund der thermischen korrosiven Beanspruchung häufig Ausfälle bedingen. Dagegen ist der Aufbau sowie ein wechsel verschleißender Teile als sehr kompliziert zu bezeichnen, so daß ein Einsatz bei sehr hohen Temperaturen ausgeschlossen ist·

Es ist weiterhin eine Entnahmevorrichtung bekannt (DE-OS 2603948), der das gleiche Prinzip zugrunde liegt. Hier ist der Inertialfilter jedoch der Sonde nachgeschaltet bzw. ausserhalb des Entnähmeräumes angeordnet, so daß die Gefahr der Sondenrohrzusetzung weiterhin besteht. In der DB-OS 2428046 ist für die Lösung dieses Problems vorgesehen, ein senkrechtes Sondenrohr als Elektrofilter mit nach unten weisender öffnung auszubilden. Elektrofilter haben jedoch wegen des recht hohen Aufwandes und inabesondere wegen der Gefahr von überschlagen keine breitere Anwendung in der Gasanalysenmeßtechnik gefunden. Einfacher sind die in den DE-OS 1773641 und DS-Os 2301264 beschriebenen Sonden, die aus zwei Entcahmerohren bzw. einem mit zwei axialen Bohrungen versehenem Rohr bestehen, wobei abwechselnd durch einen Gaskanal Meßgas gesaugt und der andere mit Druckluft ausgeblasen wird. Um eine Meßwertverfälschung durch einströmende Druckluft zu verhindern, müssen die Rohröffnungen sehr weit voneinander entfernt liegen, was auf Grund der örtlichen Verhältnisse schwer realisierbar ist. Dagegen existieren Entnahmesonden (z. B. DS-OS 2446404)? in denen eine bewußte Verdünnung des Meßgases an der EintritSsöffnung mit einer definierten Menge getrockneter Verdünnungsluft vorgenommen wird. Durch diese Maßnahme kann sowohl die Temperatur und der Taupunkt als auch die Konzentration von Peststoffpartikeln herabgesetzt werden. Die Notwendigkeit der Einhaltung eines zeitlich konstanten Mischungsverhältnisses von Meßgas und Verdünnungsluft bedingt den Einsatz von Tandempumpen oder kritischen Düsen. Da hierbei die Temperaturverhältnisse ebenfalls eine Rolle spielen, kann nicht verhindert werden, daß diese Vorrichtungen zusätzliche Fehlerquellen darstellen, übliche Verdünnungsverhältnisse von mindestsns

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-βίο ι"1 setzen um den Faktor 10 empfindlichere Analysengeräte voraus, was die Anwendung dieser Entnahme technik im Spurenmeßbereich erschwert.

Ziel der BrfindunA

Ziel der Erfindung ist es, eine Gasentnahmesonde mit einer guten Filterwirkung sowie einem fertigungstechnisch einfachen und wartungsfreundlichen Aufbau zu schaffen, die eine breite Anwendungsmöglichkeit für die häufigsten industriellen Meßfälle und auch beim Einsatz in stark verschmutzten industriallen Gasen hoher Temperatur eine große Standzeit besitzt.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen technischen Mitteln und unter Verwendung gut verfügbarer Werkstoffe eine thermisch hochbelastbare und verschmutzungsunempfindliche Gasentnahmesonde zu schaffen.

Srfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das gesamte Gasentnahmerohr als Inertialfilter ausgebildet ist.

Das Entnahmerohr ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem äußeren, beidseitig offenen Umhüllungsrohr größeren Durchmessers und einem darin befindlichen, konzentrisch oder exzentrisch angeordneten, an der Spitze verschlossenen Filterrohr aufgebaut. Das Umhüllungsrohr besteht erfindungsgemäß aus gasdichtem Material, das Filterrohr dagegen aus gasdurchlässigem Material, dessen Porendurchmesser möglichst unterhalb des Durchmessers der im Meßgas voraussichtlich mit der größten Häufigkeitsverteilung

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auftretenden Staubpartikel liegt. Pur beide Rohre sind vorzugsweise temperaturbeständige keramische Werkstoffe vorgesehen, während auch eine Verwendung metallischer Werkstoffe bzw. eine Kombination beider Werkstoffe denkbar ist. Sowohl Filterrohr als auch Umhüllungsrohr sind im Sondenkopf in Rohrstutzen entsprechend größeren Durchmessers eingekittet oder verschraubt und ragen freitragend in den Entnahmeraum. Zwischen den Befestigungen beider Rohre befindet sich ein Distanzrohrstück, an das ein Druckluftinjektor angeschlossen ist. Durch geeignete Anordnung und Dimensionierung der Rohre und Anschlußflansche wird erreicht, daß mit Hilfe des Druckluftinjektors durch den Ringspalt zwischen Umhüllungsrohrinnenfläche und Filterrohroberfläche ein großer Gasstrom, der das Vielfache des eigentlichen Meßgasstromes beträgt, aus dem Entnahmeraum abgesaugt wird. Das Meßgas wird dagegen aus dem Innenraum des Filterrohres mit Hilfe der üblichen, in den meisten Analysatoren vorhandenen Analysenpumpen abgesaugt.

Sine derartige Gasentnahmesonde weist den Vorzug auf, daß praktisch die gesamte Sondenlänge zur Vorreinigung des Gases genutzt werden kann. Die dadurch erhaltene Filteroberfläche übertrifft die Fläche bisher eingesetzter Innenfilter um ein Vielfaches, so daß die radiale Sinströmgeschwindigkeit an der Filteroberfläche infolge Meßgaaabsaugung äußerst gering ist. Die Kombination von großer Filteroberflache und Inertialfiltereffekt ergibt, daß das Verhältnis von radialer Einströmgeachwindigkeit und axialer Absauggeschwindigkeit gegen Null strebt bzw. analog dazu, daß der Impuls der Festatoffteilchen, in die Filterporen einzudringen, vernachlässigbar klein ist. Unter Umständen an der Filteroberfläche oder im Umhüllungsrohr anhaftende Partikel können durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Ringspalt mitgerissen werden. Da sich das Filter innerhalb des Entnähmeräumes befindet und somit die gleiche 'Temperatur wie das Meßgas besitzt, ist ein Verkleben der Filteroberfläche oder des Ringspaltes durch auskondensierende Be-

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standteile ausgeschlossen. Aus der Gesamtheit der beschriebenen Effekte und konstruktiven Maßnahmen resultieren große Filterstandzeiten. Die Befestigung des Filterrohres außerhalb des Sondenkopfes sowie sein geringer Durchmesser ermöglicht einen äußerst einfachen Wechsel desselben durch Herausziehen nach dem Lösen einer Flanschverbindung ohne die gesamte Sonde ausbauen zu müssen, wie es bisher oft nötig war.

Da auf Grund der hohen Geschwindigkeiten im Umhüllungsrohr praktisch auch am Sondenkopf immer die aktuelle Gaskonzentration abgesaugt wird, weist die beschriebene Entnahmevorrichtung trotz eines relativ großen Entnahmedurchmessers eine sehr gute Dynamik auf. Die Möglichkeit, große Rohrdurchmesser verwenden zu können, ist insbesondere beim 3insatz keramischer Rohre für eine Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit von Bedeutung. Das Filterrohr ist durch das Umhüllungsrohr vor schlagartigen Belastungen geschützt und kann auch im Falle einer thermischen Überbeanspruchung nicht abknicken. Die verwendeten keramischen Werkstoffe ermöglichen je nach Ein bis 160O⁰C.

je nach Sinbaulage maximale Entnahme temperatüren von 1500⁰C

Der vom Injektor abgesaugte Gasstrom wird mit Druckluft verdünnt und kann, unter Berücksichtigung der Art des Prozesses und'der im Gas enthaltenen Komponenten, an geeigneter Stelle in die Anlage zurückgeleitet oder abgeblasen werden, ohne zu Meßwertverfälschungen zu führen. Der für das Betreiben des Injektors notwendige Aufwand ist vergleichsweise als gering zu bezeichnen, da die in Frage kommenden Betriebe in der Hegel über Druckluftanschlüsse verfügen und die verbrauchte Druckluftmenge kaum erheblich ist.

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Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Gasentnahmesonde mit zwei keramischen Rohren.

Die Gasentnahmesonde ist an ein für die Gasentnahme übliches Durchführungsrohr 15 angeflanscht, welches in eine Kamin- bzw. Ofenwand 14 einzementiert ist. An den Sondenanschlußflansch 5 ist konzentrisch ein Rohrstück 3 angeschweißt, in welches das Umhüllungsrohr 1 eingekittet ist. Der Anschlußflansch 5 und das Distanzrohr 8 sind miteinander verschraubt, um einen wiederholten Einsatz des Injektors T zu sichern, der das vom fertigungstechnischen Gesichtspunkt aufwendigste Bauteil darstellt. Dar Injektor 7 ist mit dem Distanzrohr 8 verschweißt und besteht aus Saugrohr 10, Luftanschlußstück 16, Treibdüse 11, Fangdüse 12 sowie einem Diffusor 13. Um bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine optimale Saugleistung zu gewährleisten, sind Saugrohr 10 und Fangdüse 12 durch ein Peingewinde miteinander verbunden, so daß eine Verstellung des Abstandes Treibdüse 11 - Pangdüse 12 vorgenommen werden kann.

Das an der Spitze der Sonde verschlossene Filterrohr 2 ist wiederum in ein Rohrstück 4 eingekittet, welches durch die Flansche 6 und 9 mit dem Distanzrohr lösbar verbunden ist. Das Rohrstück 4 ist mit einem Deckel verschlossen, in welchem sich der Anschluß 17 für die Meßgasleitung befindet. Eine vorteilhafte Ergänzung der erfindungsgemäßen iSntnahmesonde stellt ein Peinfilter geeigneter Füllung dar, das das Rohrstück 4 umgibt, so daß Temperaturverluste und lange Gaswege vermieden werden können.

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Wird dem Injektor 7 über das Anschlußstück 16 Druckluft zugeführt, so entsteht durch die Injektorwirkung im Saugrohr 10 ein Unterdruck, so daß aus dem Entnähmeraum durch den Ringspalt 18 zwischen Umhüllungsrohr und Filterrohr ein großer Gasstrom angesaugt wird. Die ütrömungsquerschnitte der bauteile, die das angesaugte Gas passieren muß, sind so dimensioniert, daß die resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten weit höher liegen, als sie im Extremfall am Entnahmeort herrschen können, wodurch ein Absetzen der Feststoffteilchen vermieden wird. Die Öffnung zwischen Treib- und Fangdüse 11; 12 ist groß genug, daß auch grobe Schmutzpartikel hindurchtreten können. Die Meßgasabsaugung am Anschluß 17 bewirkt, daß sich im Filterrohrinnenraum 19 ein geringes Vakuum einstellt, wodurch allseitig aus dem Ringspalt 18 Gas angesaugt wird, das nur noch einen geringen Verschmutzungsgrad aufweist. Ursache hierfür ist zum einen die große Fläche des Filterrohres und zum anderen die starke axiale Strömung im Ringspalt« Bei einem Funktionsmuster der erfindungsgeinäßen Sonde ergab sich ein Verhältnis von axialer zu radialer Strömung von ca. 500. Die Standzeit der beschriebenen Sonde läßt sich gegebenenfalls noch weiter erhöhen, wenn in bestimmten Zeitabständen über den Meßgasanschluß 17 Druckluft in das Filterrohr 2 eingeblasen wird, um feinste Stäube aus den Poren zu entfernen.

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Claims (2)

238209 5 Erfindungsanspruch - 11 -

1. Sonde zur Entnahme heißer und verschmutzter Gase zum Zwecke der kontinuierlichen Gasanalyse, gekennzeichnet dadurch, daß das gesamte Gasentnahmerohr als Inertialfiiter ausgebildet ist.

2_# Gasentnahmesonde nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch_f daß das Entnahmerohr aus einem äußeren, beidseitig offenen Umhüllungsrohr (1) und einem darin befindlichen, konzentrisch oder exzentrisch angeordneten, an der Spitze verschlossenen und mit dem Umhüllungsrohr (1) etwa bündig abschließenden Filterrohr (2) besteht, wobei das Umhüllungsrohr (1) aus einer gasdichten Keramik und das Filterrohr (2) aus einer gasdurchlässigen Sinterkeramik besteht.

Gasentnahmesonde nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen den Befestigungen beider Rohre ein Distanzrohr (8) befindet, an das ein Druckluftinjektor (7) angeschlossen ist, daß der Anschluß für die Meßgasleitung (17) mit dem Filterrohrinnenraum (19) verbunden ist und daß die Halterung des Filterrohres (4) soweit aus dem Sondenkopf herausgeführt ist, daß ein Wechsel des Filterrohres (2) ohne Ausbau der gesamten Sonde möglich ist.

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Zeichnung