DE102011083630B4 - Bestimmung des Feststoffgehaltes in einem Prozessgasstrom unter Vermeidung von Kondensation - Google Patents

Abstract

In Weiterbildung der VDI-Richtlinie: VDI-2066, Blatt 1 wird für die gravimetrische Messung des Feststoffgehaltes von druckaufgeladen, erhitzen, turbulenten, wasserdampfgesättigten Prozessgasströmen mit niedriger Explosionsgrenze in Luft und Wassertröpfchenanteilen vorgeschlagen, eine in den Prozessgasstrom ragende Entnahmesonde (2) zur isokinetischen Entnahme eines Teilvolumenstromes anzuordnen, wobei eine Zumischung von vorgewärmtem, wasserfreiem Inertgas in die Entnahmesonde innerhalb der Hauptrohrleitung gegeben ist, die Rohrleitung der Entnahmesonde zu einem Filter (3) geführt ist und der Feststoffgehalt in dem Prozessgasstrom nach Maßgabe des Gasvolumens und des Differenzgewichtes des Filters bestimmt wird. Hierdurch werden ansonsten durch Kondensation auftretende Probleme vermieden. Vorteilhafte Weiterbildungen betreffen bei Hauptrohrleitungen mit großen Querschnitten die Anordnung einer Mehrzahl von Entnahmesonden (2) zur isokinetischen Entnahme eines Teilvolumenstromes in jeweils verschiedenen Teilflächen des Prozessgasstromes und Zusammenführung der Teilvolumenströme der Entnahmesonden in nur einem Filter, wodurch gegenüber einer ansonsten vorzusehenden Mehrzahl von Filtern oder sequentiellen Abarbeitung, eine schnelle, konsistente und aufwandsarme Bestimmung des Feststoffgehaltes in dem Prozessgasstrom in nur einem Meßvorgang erzielt wird. Weitere Weiterbildungen betreffen die Anordnung von redundanten Filtern zur Erzielung einer kontinuierlichen Messung und die Möglichkeit zur Spülung des Filters mit kaltem Inertgas.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur gravimetrischen Messung des Feststoffgehaltes in einem Prozessgasstrom unter Vermeidung von Kondensationsproblemen.
• Für die Kontrolle der Partikelemissionen in Gasen werden gravimetrische Messverfahren zur Bestimmung des Feststoffgehaltes eingesetzt. Bei dem gravimetrischen Verfahren wird dem Hauptgasvolumenstrom ein Teilgasvolumenstrom isokinetisch entnommen (isokinetisch mit gleicher Geschwindigkeit). Dieser Teilvolumenstrom wird gefiltert und mit dem Differenzgewicht des Filters und der Kenntnis des durchgeleiteten Volumenstromes kann der spezifische Staubgehalt im Gas ermittelt werden.
• Ab bestimmten Nennweiten der Hauptleitung (1) ist es erforderlich, an verschiedenen Punkten der Querschnittsfläche der Rohrleitung zu messen. Die Querschnittsfläche der Rohrleitung wird nach der VDI-2066, Blatt 1, Stand: November 2006 (Verein Deutscher Ingenieure, www.vdi.de) in gleich große Teilflächen aufgeteilt. In jeder Teilfläche erfolgt eine Messung.
• Aus der DE 19908948 A1 ist eine Einrichtung zur Entnahme und Analyse von Gasproben, die für die kontinuierliche Messung der Staubkonzentration und/oder die Sammlung von Staubproben geeignet ist, bekannt. Diese Einrichtung verfügt über Mittel, belastete Gase in einem breiten Temperaturbereich – vom Taupunkt bis zur Verbrennung – und auch bei Überdruck aufzubereiten. Varianten offenbaren eine Einrichtung mit mehrfacher Entnahme und eine Einrichtung mit einem Außenfiltergerät für die gravimetrische Staubgehaltsmessung.
• Aus der DE2915550 C2 ist eine Meßanordnung zur Staubmessung in strömenden Gasen nach dem Teilstromprinzip bekannt, bei der ein konstanter Teilvolumenstrom erzeugt wird, indem an die Entnahmesonde im Bereich der Sondenmündung eine Zuluftzuleitung zur Zuführung von falscher Zuluft angeschlossen ist.
• Problem 1:
• Bei wasserdampfgesättigten druckaufgeladenen explosiven Gasen ist eine Rohrbegleitheizung nicht immer sinnvoll ausführbar, da einerseits die maximale Temperatur der Rohroberfläche durch die Zündtemperatur des Gasgemisches begrenzt ist. Andererseits ist beispielsweise eine Doppelmantelheizung aufgrund der Geometrien der Rohrleitung und Armaturen nicht immer einsetzbar. Weiterhin wird durch eine Rohrbegleitheizung nur die Rohroberfläche beheizt. Um einen effektiven Abstand zur Taulinie des Gasgemisches zu erreichen ist eine Rohrbegleitheizung nicht immer geeignet, insbesondere wenn Wassertröpfchen im Gas sind. Der absolute Wassergehalt von druckaufgeladenen Gasen ist höher als bei Gasen unter Atmosphärendruck. Wenn es zur unkontrollierten Kondensation kommt, wird der Teilgasvolumenstrom um den Wasserdampfanteil reduziert. Dadurch kann der entnommene Teilgasvolumenstrom nicht mehr vollständig gemessen werden. Somit verläuft eine solche Messung nicht mehr unter isokinetischen Bedingungen und kann daher nicht mehr aussagekräftig ausgewertet werden.
• Problem 2:
• Bei drucklosen Abgasen wird dazu die Position der Entnahmesonde nach jeder Messung variiert. In druckaufgeladenen, schadstoffbelasteten Gasgemischen mit niedrigen Explosionsgrenzen in Luft ist dies nicht ohne weiteres möglich. Die Abdichtung der Hauptrohrleitung für eine solche verschiebbare Entnahmesonde ist aufwändig.
• Problem 3:
• Das Filtergehäuse befindet sich bei druckaufgeladenen Gasen außerhalb der Rohrleitung. Bei mehreren Entnahmesonden benötigt für die Einstellung der isokinetischen Bedingungen, jede Entnahmesonde ein eigenes Filtergerät, eine Gasmengenmessung und ein Regelventil. Das bedeutet, dass mehrere Entnahmesonden nacheinander mit erhöhtem Zeitaufwand vermessen werden.
• Bisher wurden solche Messungen nach dem Stand der Technik: VDI-2066, Blatt 1, Stand: November 2006 ausgeführt. Aus der Hauptrohrleitung (1), die das Prozessgas führt, wird mittels einer Entnahmesonde (2) ein Teilgasvolumenstrom entnommen und einem Filter (3, 4) zugeführt. Der Filter befindet sich außerhalb der Rohrleitung (1). Die Verbindungsleitung zwischen Entnahmesonde und Filtergerät, sowie das Filtergerät selber werden mit einer Begleitheizung beheizt, um eine Teilkondensation des Gases zu vermeiden. Das beschriebene Verfahren ist geeignet für feuchte, bzw. Wasserdampfgesättigte Abgase, sowie Abgase mit Wassertröpfchenanteil mit einem Überdruck bis 20 hPa(~0,02 bar (ü)).
• Als Rohrbegleitheizung werden Doppelmantelleitungen mit einem Heizmedium oder Widerstandsdrähte verwendet.
• Bei drucklosen Abgasen wird – wenn nötig – die Position der Entnahmesonde nach jeder Messung variiert.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einer Optimierung der isokinetischen gravimetrische Messung des Feststoffgehaltes von druckaufgeladen, erhitzen, turbulenten, wasserdampfgesättigten Gasgemischen mit niedriger Explosionsgrenze in Luft und Wassertröpfchenanteilen mit einer beliebigen Anzahl von Messpositionen.
• Das Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Lösung für Problem 1
• Die Kondensation wird vermieden, indem wasserfreies Inertgas mit der Temperatur des Gasgemisches zugemischt wird. Durch die Mischung mit wasserfreiem Inertgas sinkt der Wasserdampfanteil und somit der Wasserdampfpartialdruck des Gasgemisches.
• Lösung für Problem 2
• Es werden mehrere Entnahmesonden (2) je Messachse (5, 6) in die Hauptrohrleitung (1) eingebracht.
• Lösung für Problem 3
• Zur Vereinfachung der Messung werden die Teilgasvolumenströme unter Beachtung der Druckverluste auf eine Sammelleitung zusammengeführt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Vorteil Lösung 1:
• Durch die Zumischung von Inertgas wird, ohne die Temperatur des Gasgemisches zu verändern, der Abstand zur Taulinie erhöht. Zusätzlich wird mit entsprechender Einstellung des Mischungsverhältnisses das Gemisch magerer und der Abstand zur unteren Explosionsgrenze erhöht. Das bestehende Messverfahren ist weiterhin anwendbar. Für die Einstellung der isokinetischen Bedingungen wird der Inertgasvolumenstrom gemessen und verrechnet.
• Vorteil Lösung 2:
• Durch das Einbringen mehrerer Entnahmesonden (2) je Messachse (5, 6) kann eine einfache Abdichtungstechnologie der Hauptrohrleitung (1) verwendet werden (Flanschdichtung, Rohrverschraubung, etc.).
• Vorteil Lösung 3:
• Das Zusammenführen der Entnahmeleitungen bewirkt eine Vereinfachung der Messung und damit eine Aufwandsreduzierung. Der Entnahmevolumenstrom wird mit nur einem Ventil eingestellt. Es erübrigt sich jede Entnahmesonde mit einem eigenen Filtergerät und Regelventil auszurüsten. Durch die Filterung der zusammengeführten Entnahmevolumenströme reduziert sich die Dauer einer Messung. Somit kann der gesamte Messquerschnitt mit nur einer Messung ausgemessen werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes in Gasen, acht Entnahmesonden mit gemeinsamer Inertgasanströmung, Volumenstrommessung,
• 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes in Gasen mit acht Entnahmesonden mit gemeinsamer Inertgasanströmung, Volumenstrommessung, direkte Inertgasmischung und
• 3 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes in Gasen mit acht Entnahmesonden mit gemeinsamer Inertgasanströmung, Massenstrommessung, direkte Inertgasmischung.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
• In der 1 ist eine Hauptrohrleitung (1) dargestellt, aus der mit acht Entnahmesonden (2), die an ihrer Spitze jeweils eine Entnahmedüse aufweisen und die auf zwei Messachsen (5, 6) verteilt sind, Teilgasvolumenströme entnommen werden. Die Position der Entnahmesonden ist andeutungsweise der VDI-2066 angepasst. Die Rohrleitungen der Entnahmesonden (7) werden mit der Rohrleitung (8) des Inertgases zusammengeführt. Das Inertgas wird zuvor in einem Gasheizer (9) erhitzt und dann mittels eines Regelventils (10) im gewünschten Mischungsverhältnis mit dem Teilgasvolumenstrom gemischt.
• Danach wird die Mischung via eine Rohrleitung Inertgasmischung (11) durch ein mit redundanten Filtern (3, 4) gebildeten Filtergerät geleitet. Nach dem Filtergerät befindet sich das Regelventil (12), mit dem der nötige Volumenstrom eingestellt wird.
• Es ist dafür zu sorgen, dass der Druckverlust von jeder Entnahmedüse bis hin zur Sammelleitung für alle Entnahmesonden gleich ist. Dies wird erreicht, indem die Rohrleitungslängen der einzelnen Entnahmerohrleitungen, bis hin zur Sammelleitung, gleich lang gehalten sind. Mit dieser Maßnahme wird eine Ungleichverteilung der Teilgasvolumenströme der einzelnen Entnahmesonden vermieden. Die Strömungsgeschwindigkeit ist über den turbulent durchströmten Querschnitt außer in den laminaren Grenzschichten näherungsweise gleich.
• Die einzelnen Rohrleitungen der Entnahmesonden jenseits der Hauptleitung sind unterschiedlich lang, um die unterschiedlichen Positionen der Entnahmesonden in der Hauptleitung auszugleichen. Ungleiche Rohrleitungslängen können durch zusätzliche Bögen mit geringen Biegeradien ausgeglichen werden.
• In der obigen Schaltung sind die Filter parallel verschaltet, so dass für einen Filterwechsel das jeweils andere Filtergerät durchströmt werden kann. Damit wird eine kontinuierliche Messung erreicht. Werden beide Eingangsarmaturen (13a, 13b) der Filter geschlossen, werden die Entnahmesonden mit erhitztem Inertgas durchströmt. Somit wird die Düse immer mit Gas gespült. Somit wird ein Zusetzten der Düse mit Feststoff vermieden.
• Zur Filterentnahme kann das Filtergerät vor der Entnahme über die Rohrleitung Spülung Filtergerät (14), in die ein Kugelhahn (15), eine Drosselblende (16) und ein Rückschlagventil (17) eingebaut ist, mit kaltem Inertgas gespült werden. Die Drosselblende hat die Aufgabe, den Spülvolumenstrom für das Filtergerät zu begrenzen, damit auch gleichzeitig die Entnahmesonden kontinuierlich gespült werden können (falls erforderlich). Die Volumenstrommessung (18) in der Rohrleitung Spülung Filtergerät (14) dient der Kontrolle der Spülung des Filtergerätes und wird zur Messung selber nicht benötigt.
• Falls mit Feststoffpartikeln im Inertgas zu rechnen sind, muss das Inertgas (19) mit einem feineren Filter (20) gefiltert werden, als das Prozessgas gefiltert wird.
• Die Rückschlagventile (17, 23, 22) in der Inertgasleitung sorgen dafür, dass das Gasgemisch nicht in das Inertgassystem einströmen kann.
• Das dargestellte Verfahrensfließbild kann für eine beliebige Anzahl von Entnahmesonden zur Anwendung kommen.
• Folgende Messwerte müssen vorliegen, um mit dem Regelventil (12) nach dem Filter die isokinetischen Bedingungen einzustellen:
  Hauptleitung: Volumenstrom, Druck, Temperatur
  Rohrleitung Inertgas: Volumenstrom, Druck, Temperatur
  Rohrleitung nach Filter: Volumenstrom, Druck, Temperatur
• Nach 2 besteht die Möglichkeit, das Inertgas kurz direkt nach der Entnahmesonde, innerhalb der Hauptrohrleitung (1), einzubinden. Dies hat den Vorteil, dass die Rohrleitungen der Entnahmesonden vor dem Eintritt in die Sammelleitung bereits mit Inertgas gemischt worden sind und somit jede Rohrleitung außerhalb der Hauptrohrleitung vor Kondensation geschützt ist.
• Je Messachse/Entnahmestutzen erfolgt eine Inertgasanströmung. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass die einzelnen Inertgasleitungen die gleiche Leitungslängen und somit einen annähernd gleichen Druckverlust aufweisen, damit eine Ungleichverteilung der Teilgasvolumenströme vermieden wird.
• Im Folgenden soll die Berechnung des mit dem Regelventil einzustellenden Volumenstroms nach dem Filter (31) vorgestellt werden, wenn Volumenstrommessgeräte benutzt werden. Die Umrechnung von Betriebs- auf Normvolumenstrom erfolgt mit der Kontinuitätsgleichung und der idealen Gasgleichung. Eine Umrechnung ist nötig aufgrund der sich ändernden Druck und Temperaturverhältnisse während der Messstrecke.
• Verwendete Formeln:
• V . = A·c = const. (Kontinuitätsgleichung)
  
  (Thermische Zustandsgleichung idealer Gase)
  
  V ._RLF,N = V ._Inert,N + V ._Düse,N
  
• Formelzeichen:

• V .

  = Volumenstrom

  A

  = Durchströmte Querschnittsfläche

  c

  = Geschwindigkeit

  p

  = Druck in bar

  T

  = Temperatur in Kelvin

  m

  = Masse

  n

  = spez. Konzentration

• Indizes:

• Haupt

  = Hauptrohrleitung

  Düse

  = Düse der Entnahmesonde

  B

  = Betriebsbedingungen

  N

  = Normbedingungen (1,01325 bar und 273,15 K)

  Inert

  = Rohrleitung Inertgas

  RLF

  = Rohrleitung nach Filter

  Filter

  = Bezogen auf einen Staubfilter

  1

  = Vor der Messung

  2

  = Nach der Messung

• Wenn Messwerte schon als die geforderten Norm- oder Betriebsvolumenströme vorliegen entfällt der entsprechende Rechnungsschritt.
• Zur Auswertung wird der aufsummierte Teilgasvolumenstrom in Normzustand verwendet: ΣV ._Düse,N = ΣV ._Filter,N – ΣV ._Inert,N

  
• Falls, wie in 3 dargestellt, statt Volumenstromzähler Massestromzähler verwendet werden, entfällt die Umrechnung auf den Normzustand.
• 
• Der Fehler bei der Umrechnung der Gasvolumenströme mittels der idealen Gasgleichung steigt bei hohen Drücken. Eine Umsetzung der gravimetrischen Staubmessung mit Massestromzählern ist hier genauer. Jedoch sind in vielen Anlagen bereits Volumenstromzähler eingebaut, die für diese Messung auch weiterhin genutzt werden können.
• Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise zur Bestimmung des Feststoffgehaltes des von einer Vergasungseinrichtung unter vielfachem Atmosphärendruck generierten Rohgases eingesetzt werden. Dieses Rohgas weist typischerweise folgende Eigenschaften auf: reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid, 1–10 MPa, reich an Wasserdampf, Temperatur 250–400°C, Menge 100.000 m³ i. N./h.
• Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur gravimetrischen Messung des Feststoffgehaltes in einem Prozessgasstrom in Weiterbildung der VDI-Richtlinie: VDI-2066, Blatt 1.
• Bezugszeichenliste

1

Hauptrohrleitung

2

Entnahmesonden

3

Filter

4

Filter redundant

5

Messachse x1...x4

6

Messachse y1...y4

7

Rohrleitung Entnahmesonden

8

Rohrleitung Inertgas

9

Gasheizer

10

Regelventil Inertgas

11

Rohrleitung Inertgasmischung

12

Regelventil Volumenstrom

13a, 13b

Eingangsarmaturen der Filter

14

Rohrleitung Spülung Filtergerät

15

Kugelhahn

16

Drosselblende

17

Rückschlagventil

18

Volumenstrommessung in (14)

19

Inertgas

20

Feinfilter Inertgas

21

Ventil Inertgas

22

Rückschlagventil Rohrleitung nach Filter 24

23

Rückschlagventil Rohrleitung Inertgas

24

Rohrleitung nach Filter

25

Volumenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Hauptrohrleitung

26

Volumenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Rohrleitung Inertgas

27

Volumenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Rohrleitung nach Filter 24

28

Massenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Hauptrohrleitung

29

Massenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Rohrleitung Inertgas

30

Massenstrom-, Temperatur-, Druckmessung Rohrleitung nach Filter 24

31

Volumenstrom nach dem Filter

Claims (8)

1. Anordnung zur gravimetrischen Messung des Feststoffgehaltes in einem Prozessgasstrom bei der – ein Prozessgasstrom in einer Hauptrohrleitung (1) geführt ist, – eine Mehrzahl von Entnahmesonden (2) zur isokinetischen Entnahme eines Teilvolumenstromes in jeweils verschiedene Teilflächen des Prozessgasstromes ragen, – die Entnahmesonden in unterschiedlichen Meßachsen (5, 6) angeordnet sind, – eine Zumischung von Inertgas in die Entnahmesonden innerhalb der Hauptrohrleitung gegeben ist, – die Rohrleitungen der Entnahmesonden zu einem gemeinsamen Filter (3) zusammengeführt sind, – eine Ermittlung des Feststoffgehaltes in dem Prozessgasstrom nach Maßgabe des Gasvolumens und des Differenzgewichtes des Filters gegeben ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas die Eigenschaften wasserfrei und gleiche Temperatur wie das Prozessgas aufweist.
3. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass redundante Filter (3, 4) angeordnet sind, zwischen denen Umschaltbarkeit gegeben ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die redundanten Filter (3, 4) von der Beaufschlagung mit dem Teilvolumenstrom mittels Eingangsarmaturen (13a, 13b) absperrbar sind.
5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (3, 4) mit kaltem Inertgas (19) spülbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine Drosselblende (16) zur Begrenzung des Spülvolumenstroms angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen der Entnahmesonden auf untereinander gleichen Druckverlust kalibriert sind.
8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Bestimmung des Feststoffgehaltes in dem von einer Vergasungseinrichtung erzeugten Rohgas eingesetzt ist.

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