DE102015117405A1

DE102015117405A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen

Info

Publication number: DE102015117405A1
Application number: DE102015117405.7A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Fischer
Original assignee: RBR MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: ECOM GMBH, DE
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen, umfassend ein Messrohr (1) mit einem auf der Rotationsachse des Messrohres (1) angeordnete Einlass und einem diesem gegenüberliegend angeordneten Auslass zur Durchströmung des Messrohres (1) mit einer Feuerungsgasprobe (8), wobei in dem Messrohr (1) auf dessen Rotationsachse ein Mikrofon (4) angeordnet ist, das mit einer Akustikauswerteeinheit (5) verbunden ist und wobei in dem Messrohr (1) versetzt zu dem Mikrofon (4) eine Eintrittsstelle für den Laserstrahl (32) eines modulierbaren Laseremitters (3) und eine dieser diametral gegenüberliegende Austrittsstelle für den Laserstrahl (32) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen nach dem Patentanspruch 1. Der Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen nach dem Patentanspruch 5.
Durch die Verbrennung von Festbrennstoffen in Kleinfeuerungsanlagen wird eine erhebliche Menge an Feinstaub freigesetzt. Feinstaub ist ein Teil des Schwebestaubs und fokussiert den einatembaren Anteil der Emissionen. Da feine Partikel von den Schleimhäuten im Nasen- und Rachenraum bzw. den Härchen im Nasenbereich nur teilweise zurückgehalten werden, geht von diesen Feinstaubpartikeln eine gesundheitsgefährdende Belastung der Atemwege einher. Zur Vermeidung von Gesundheitsschäden hat der Gesetzgeber daher Grenzwerte für Feinstaubemissionen festgelegt. Zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen zur Überprüfung der Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte kommen regelmäßig Partikelabscheider zum Einsatz. Hierbei werden Feinstäube in einem Filterelement gesammelt und die so über einen definierten Zeitraum gesammelten Feinstaubmengen nachfolgend ausgewogen. Die ausgewogene Partikelmenge bildet gemeinsam mit dem durchströmenten Volumen die Partikelmassekonzentration. Bei modernen gravimetrischen Verfahren wird die Masse des abgelagerten Feinstaubs osszillativ bestimmt. Hierbei wird der Staub auf einer vibrierenden Scheibe abgelagert, deren Vibrationsfrequenz umgekehrt proportional zur Gesamtmasse von Scheibe und Feinstaub ist.
Problematisch bei dem bekannten Verfahren ist, dass je nach eingesetzten Brennstoffen die Zusammensetzung der ausgefilterten Rußpartikel stark unterschiedlich sind, wodurch sich signifikante Gewichtsabweichungen ergeben. Darüber hinaus gestaltet sich das vorbekannte Verfahren als aufwendig.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen bereitzustellen, die eine aufwandminimierte und zugleich genauere Messung der Feinstaubkonzentrationen in kleinen Feuerungsanlagen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemission aus Feuerungen bereitgestellt, die eine aufwandminimierte und zugleich genauere Messung von Feinstaubkonzentrationen insbesondere in kleinen Feuerungsanlagen ermöglicht. Durch den durch die Eintrittsstelle geführten Laserstrahl eines modulierbaren Laseremitters ist eine Erwärmung der Rußpartikel der Feuergasprobe durch Absorption erzielt. In den Strahlungspausen erfolgt eine Wärmeabgabe von den Partikeln an die Umgebung. Hierdurch ist eine periodische Erwärmung und Abkühlung des mit dem intermittierenden Laserstrahl bestrahlten Strömungsvolumens erzielt, die wiederum Druckschwankungen gleicher Periode bewirkt, welche sich als Schallwellen ausbreiten. Diese Schallwellen können mit dem auf der Rotationachse angeordneten Mikrofon detektiert werden, von wo sie der Akustikauswerteeinheit zur Bestimmung der Feinstaubemission geleitet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht erstmals eine Feinstaubmessung aus dem Abgasstrom einer Feuerungsanlage mit Hilfe eines photoakustischen Messverfahrens.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Eintritt- und Austrittsstellen für den Laserstrahl durch in das Messrohr eingelassene Glasscheiben gebildet, wobei beabstandet zu diesen Glasscheiben Einlässe für Spülluft angeordnet sind. Die Glasscheiben ermöglichen eine gute Durchleitung der von dem Laserermitter ausgesandten Laserstrahlen. Durch die angeordneten Spüllufteinlässe ist eine Überströmung der Glasscheiben bewirkt, wodurch einer Verschmutzung der Glasscheiben durch anhaftende Rußpartikel der Feuerungsgasprobe entgegengewirkt ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Messrohr an seinem Auslass mit einer Pumpe zum Ansaugen einer Feuerungsgasprobe verbunden. Hierdurch ist eine zielgerichtete, gleichmäßige Durchströmung des Messrohres mit einem konstanten Feuerungsabgasstrom ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Akustikauswerteeinheit eine Speichereinheit zur Hinterlegung von Feinstaub-Rußpartikel-Verhältniswerten verschiedener Brennstoffe auf, aus der ein jeweils erforderlicher Datensatz auswählbar ist, wobei die Auswerteeinheit derart eingerichtet ist, dass auf Basis der von dem Mikrofon gesendeten Akustikwerten sowie der einem auszuwählenden Brennstoff zugeordnete Verhältniswerten eine Berechnung der Feinstaubemissionsmenge erfolgt. Hierdurch ist dem Umstand Rechnung getragen, dass das Feuerungsabgas je nach eingesetztem Brennstoff ein unterschiedliches Verhältnis von Ruß zu Feinstaub aufweist, wodurch bei gleichem vom Mikrofon erfasstem Messwert unterschiedliche Feinstaubgehalte auftreten können. Durch die Zuordnung eines jeweiligen Datensatzes mit Feinstaub-Rußpartikel-Verhältniswerten, zugeordnet zu unterschiedlichen Brennstoffen ist die Genauigkeit der errechneten Feinstaubemissionswerte erhöht.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungsanlage bereitzustellen, das aufwandminimiert durchführbar ist und das zugleich eine genauere Messung ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst. Bevorzugt werden zuvor ermittelte Feinstaub-Rußpartikel-Verhältniswerte unterschiedlicher Brennstoffe in einem Speicher hinterlegt und die Berechnung des Feinstaubpartikelgehaltes erfolgt auf Basis der von dem Mikrofon gesendeten Akustikwerten sowie der einem auszuwählenden Brennstoff zugeordneten Verhältniswerte.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltung der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Die einzige 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen.
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemmissionen aus Feuerungen umfasst ein hohlzylinderförmig ausgebildetes Messrohr 1 zur Durchströmung mit einer Feuerungsgasprobe, das mit zwei diametral zueinander angeordneten Glasfenstern 2 versehen ist. An einem der beiden Fenster 2 ist ein modulierbarer Laserermitter 3 zur Beaufschlagung einer Feuerungsgasprobe mit einem modulierten Laserstrahl angeordnet. Dem Laserermitter 3 gegenüber ist hinter der zweiten Glasscheibe 2 weiterhin eine Laserfalle 31 positioniert. Die Laserfalle 31 dient der Verhinderung eines unkontrollierten Austritts eines Laserstrahls. Versetzt zu dem Laserermitter 3 ist in dem Messrohr 1 auf dessen Rotationsachse ein Mikrofon 4 angeordnet, das mit einer Akustikauswerteeinheit 5 verbunden ist. Die Akustikauswerteeinheit 5 ist wiederum mit einer Speichereinheit 6 verbunden. Ausgangsseitig ist an dem Messrohr 1 eine Pumpe 7 zum kontinuierlichen Ansaugen eines definierten Feuerungsgasstroms angeordnet. Zur Vermeidung von Anhaftungen von Rußpartikeln an den beiden diametral zueinander angeordneten Glasfenstern 2 ist diesem vorgelagert jeweils ein Spüllufteinlass 21 positioniert. Die Spüllufteinlässe sind derart ausgerichtet, dass sie die Glasfenster 2 mit einem dünnen Spülluftvorhang beaufschlagen.
Zur Messung der Feinstaubemission einer Feuerungsanlage wird das Messrohr 1 in den Abgasstrom der Feuerungsanlage positioniert und mittels der Pumpe 7 wird eine Feuerungsgasprobe 8 als gleichmäßiger Volumenstrom durch das Messrohr 1 bewirkt. Die in der Feuerungsgasprobe 8 befindlichen Rußpartikel 81 werden mittels zeitlich intermittierender Laserstrahlen 32 des Laserermitters 3, die durch die Glasfenster 2 des Messrohres 1 gesandt werden, erwärmt, wobei die durchtretenden Laserstrahlen 22 über eine Laserfalle 31 nach außen hin abgeschottet werden. Die durch Absorption der Laserstrahlung aufgewärmten Rußpartikel 31 geben in den Strahlungspausen Wärme an die Umgebung ab, wodurch eine periodische Erwärmung und Abkühlung des mit Laserstrahlen bestrahlten Volumens entsteht, die wiederum Druckschwankungen gleicher Periode bewirkt, die sich in Form von Schallwellen ausbreiten. Diese Schallwellen werden durch das Mikrofon 4 detektiert und an die Akustikauswerteeinheit 5 weitergeleitet. Durch die Akustikeinheit 5 errechnet nun aus den Akustiksignalen des Mikrofons 4 die Feinstaubmenge der Feuerungsgasprobe. Hierzu wird nach Eingabe des von der Feuerungsanlage verwendeten Brennstoffs aus der Speichereinheit 6 ein zu dem Brennstoff zugeordneter Anteilsfaktor ausgewählt, der das zuvor innerhalb von Messstudien ermittelte Verhältnis von Ruß zu Feinstaub des betrachteten Brennstoffs darstellt.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen, umfassend ein Messrohr (1) mit einem auf der Rotationsachse des Messrohres (1) angeordnete Einlass und einem diesem gegenüberliegend angeordneten Auslass zur Durchströmung des Messrohres (1) mit einer Feuerungsgasprobe (8), wobei in dem Messrohr (1) auf dessen Rotationsachse ein Mikrofon (4) angeordnet ist, das mit einer Akustikauswerteeinheit (5) verbunden ist und wobei in dem Messrohr (1) versetzt zu dem Mikrofon (4) eine Eintrittsstelle für den Laserstrahl (32) eines modulierbaren Laseremitters (3) und eine dieser diametral gegenüberliegende Austrittsstelle für den Laserstrahl (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts- und Austrittsstellen für den Laserstrahl (32) durch in das Messrohr (1) eingelassene Glasfenster (2) gebildet sind, wobei beabstandet zu diesen Glasfenstern (2) Einlässe (21) für Spülluft angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) an seinem Auslass mit einer Pumpe (7) zum Ansaugen einer Feuerungsgasprobe (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akustikauswerteeinheit (5) eine Speichereinheit (6) zur Hinterlegung von Feinstaub-Rußpartikel-Verhältniswerten verschiedener Brennstoffe aufweist, aus der ein jeweils erforderlicher Datensatz auswählbar ist, wobei die Auswerteeinheit (5) derart eingerichtet ist, dass auf Basis der von dem Mikrofon (4) gesendeten Akustikwerten sowie der einem auszuwählenden Brennstoff zugeordneten Verhältniswerten eine Berechnung der Feinstaubemissionsmenge erfolgt
Verfahren zur Feinstaubemissionsmessung von Feuerungen, wobei Feuerungsgas (8) in ein Messrohr (1) eingeleitet wird, das Feuerungsgas (8) orthogonal zu dessen Strömungsrichtung mit einem modulierten Laserstrahl (32) beaufschlagt wird, wobei mittig in das Messrohr (1) wenigstens ein Mikrophon (4) angeordnet wird, das von dem Feuerungsgas (8) umströmt wird, wobei auf Basis der von dem Mikrophon (4) gesendeten Akustikdaten mit einer Auswerteeinheit (5) eine Bestimmung des Feinstaubpartikelgehalts des Feuerungsgases (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Feinstaub-Rußpartikel-Verhältniswerte unterschiedlicher Brennstoffe in einem Speicher (6) hinterlegt werden und dass die Berechnung des Feinstaubpartikelgehaltes auf Basis der von dem Mikrofon (4) gesendeten Akustikwerten sowie der einem auszuwählenden Brennstoff zugeordneten Verhältniswerten erfolgt.