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Die
Erfindung betrifft eine Hochtemperaturentnahmesonde für die Entnahme
von Gasen aus dem Innern eines Prozessraumes gemäß dem ersten Patentanspruch.
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Hochtemperaturentnahmesonden
dienen Emissionsüberwachung
von Verbrennungsanlagen. Durch sie werden Gas- oder Staubproben
direkt aus einem Prozessraum entnommen. Der erforderliche Umfang
von Emissionsdauerüberwachungen
wird durch einschlägige
nationale gesetzliche Vorschriften bestimmt. Beispielsweise schreibt
die in Deutschland verbindliche 17. BImSchV (Bundes-Immission-Schutz-Verordnung)
für eine
lückenlose Überwachung
von Rauchgas emittierende Anlagen auch taktweise zu wiederholenden
Einzelmessungen vor, um relevante Staubinhaltsstoffe und filtergängige Schadstoffe,
wie Schwermetalle oder organische Verbindungen nachzuweisen und
zu belegen, mit Kenntnis der gleichfalls zu bestimmenden Abgasfeuchte.
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Im
Rahmen einer Emissionsüberwachungen kommt
der Probennahme und damit der Auslegung einer Entnahmesonde eine
besondere Bedeutung zu. Mit Hochtemperaturentnahmesonden werden Proben
aus Prozess-, Verbrennungs- oder Abgasen direkt aus dem Innern eines
Prozesses, einer Verbrennung oder einer Nachverbrennung entnommen, meist
bei hohen Temperaturen. Die Sonden bestehen im Wesentlichen aus
einem Absaugrohr, welches mit dem distalen Ende durch eine Kesselwand in
den Prozessraum (Brennraum oder die Abgaskomponenten) eingesetzt
ist. Die Gasproben werden im Anschluss an die Probennahme einer
weiterführenden
Gasanalytik zugeführt,
wobei bis dahin Entmischungen und Reaktionen in der Probe auf dem Weg
zur Gasanalytik so weit wie technisch erforderlich und möglich auszuschließen sind.
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Eine
Probennahme erfolgt vorzugsweise im Zentrum einer Verbrennung oder
eines anderen zu untersuchenden Hochtemperaturprozesses, d. h. im Innern
eines Prozessraumes. Auch werden die Verbrennungsgase dort am geringsten
von den chemischen und/oder thermischen Einflüssen der Kesselwandung oder
anderen Komponenten manipuliert.
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Im
Bereich nahe der Kesselwand unterscheidet sich die Abgaszusammensetzung
von der in der Mitte eines Kessels. Gas, das an einer Kesselwand entlang
aufsteigt, erreicht im Allgemeinen nicht dieselben Temperaturen
wie das Gas direkt in oder oberhalb einer Verbrennung, was zu unterschiedlichen
Reaktionsverläufen
führt.
Außerdem
kann das Verbrennungsgas, welches mit der Kesselwand in Kontakt
kommt, katalytisch verändert
werden, wobei sich an den Kesselwänden niederschlagende Kondensate
diesen Prozess in nicht vorhersehbare Weise zusätzlich beeinflussen. Ferner
verteilt sich speziell bei thermischen Abfallverwertungen wie einer Müllverbrennung
oder Abfallpyrolyse sich der Brennstoff (Müll) auf dem Brennbett (Feuerungsrost)
inhomogen, d. h. im zentralen mittleren Bereich befindet sich im
Allgemeinen mehr Brennstoff als direkt an den Kesselwänden. Zudem
steigt ein von unten im Randbereich des Brennbetts eingeblasene
Luft (Primärluft)
mit einem erhöhten
Sauerstoffgehalt an den Wänden
auf.
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Das
entscheidende Problem beim Betrieb von Hochtemperaturentnahmesonden
stellen die Materialien dar. Bei normalen Edelstählen beginnt bereits zwischen
300 °C und
400 °C eine
Verzunderung. Dabei kommt es zwischen der Stahloberfläche und
der Gasatmosphäre
zu oxidierenden oder korrodierenden Reaktionen, d. h. zu der Verzunderung. Die
Zunderschicht wächst
durch die Diffusion von Eisen aus dem Stahl an die Oberfläche, wobei
sich der Edelstahl nach und nach zersetzt. Werden dem Stahl Elemente
zulegiert, die leichter als Eisen oxidieren und außerdem eine
diffusionshemmende Oxidschicht bilden, wie das bei Chrom und Silizium
der Fall ist, kann die Zunderbeständigkeit wesentlich erhöht werden.
Alternativ können
bestimmte Stähle durch
eine gezielte korrosive Veränderung
der Oberfläche
zum Wirksamen Schutz gegen eine Hochtemperaturkorrosion passiviert
werden.
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Ein
weiteres Spannungsfeld beim Betrieb von Hochtemperaturentnahmesonden
eröffnet
sich aufgrund der eingeschränkten
Warmfes tigkeit der eingesetzten Materialien insbesondere bei Prozesstemperaturen
oberhalb 800°C,
was eine Kühlung
der Hochtemperaturentnahmesonde zwingend erforderlich macht. Diese
stellt zwar die Formstabilität
der Sonde im Brennraum sicher, darf aber die Innenseite des Absaugkanals
nicht so stark abkühlen,
dass es zu unerwünschten
Kondensationen oder chemischen Veränderungen der Gasprobe kommt.
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In
[1] wird beispielsweise eine wassergekühlte Entnahmesonde aus einem
korrosionsbeständigen
Material oder unlegiertem Titan für die Probennahme aus Feuerungsanlagen
vorgestellt, wobei das Absaugrohr aus einem hochtemperaturbeständigen Glas
hergestellt ist.
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Alternativ
strebt man den Bau von Hochtemperaturentnahmesonden aus keramischen
Werstoffen an, welche aus thermodynamischer, korrosiver und tribologischer
Sicht interessanten Materialeigenschaften aufweisen.
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Beispielhaft
wird in [2] eine Hochtemperaturentnahmesonde für die Entnahme von Gasen aus dem
Innern eines Prozessraumes aus einer faserverstärkten Keramik beschrieben,
welche gegenüber metallischen
Sonden eine erheblich bessere Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen oberhalb
800°C aufweist.
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Keramische
Materialien sind jedoch für
eine bessere Herstellbarkeit mit sinterfördernden Additiven zu dotieren,
welche je nach Einsatzbedingung und Art der Dotierung eine mehr
oder weniger ausgeprägte
Neigung zum Kriechen und/oder zu interkristalliner Korrosion insbesondere
bei höheren
Temperaturen bewirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine weitere Hochtemperaturentnahmesonde aus
einem metallischen Werkstoff für
die Entnahme von Gasen aus dem Innern eines Prozessraumes vorzuschlagen, welche
sich durch eine besonders hohe Formstabilität auch bei Einsatztemperaturen
bis zu 1300°C
auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird durch Hochtemperaturentnahmesonde mit den Merk malen
aus Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Die
Erfindung betrifft eine gasgekühlte
Hochtemperaturentnahmesonde. Sie umfasst im Wesentlichen ein inneres
Rohr und ein konzentrisch um dieses angeordnetes äußeres Rohr,
welche am distalen Ende unter Bildung eines Volumens zwischen den beiden
Rohren gasdicht miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind die
beiden Rohre am distalen Ende unter Verwendung eines den Zwischenraum zwischen
den beiden Rohren überbrückenden
Ringblechs miteinander verschweißt. Bestehen Innen- und Außenrohr
aus nicht dem gleichen Material, bieten sich beispielsweise auch
reibschlüssige
Pressverbindungen oder auch durch eine Umformung (oder durch ein
ineinander Verschmelzen) ineinander verpresste formschlüssige Verbindungen
an, während
Lote meist aufgrund einer begrenzten Temperaturbeständigkeit
ausgeschlossen werden müssen. Eine
Gaszuführung
zwischen dem inneren und äußeren Rohr
dient der Einleitung des zur Kühlung
erforderlichen Gasstromes in die Sonde. Die Gaszuführung erfolgt über einen
Gaseinlass am proximalen Ende der Sonde und führt das Gas zu einem Gaszulauf
im Bereich des distalen Ende der Sonde unmittelbar zum Bereich der
vorgenannten Verschweißung (oder
einer anderen Verbindung). Ferner ist zwischen den beiden Rohren
eine Gasrückführung vorgesehen.
Sie besteht insbesondere aus mindestens einer Gasleitung, beginnend
am distalen Ende im Bereich der vorgenannten Verschweißung und
endend am proximalen Ende mit einer Gasablauf.
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Die
Hochtemperaturentnahmesonde wird mit dem distalen Ende in einer
Sondendurchführung durch
die Kesselwand in den Brennraum geschoben, wobei die Gasprobe durch
das offene Ende des inneren Rohres angesaugt und durch das innere
Rohr einer anschließenden
Analyseeinheit außerhalb
des Brennraumes zugeführt
wird. Dabei ist es zunächst unerheblich,
ob das innere Rohr aus einem gegen Hochtemperaturkorrosion beständigen,
d.h. aus einem sich inert verhaltenden Material besteht bzw. beschichtet
ist (z.B. mit Glas beschichtetes Innenrohr) oder in dieses ein separates
Rohr zur Ansaugung der Gasprobe aus einem zum Verbrennungsgas aus
einem gegen Hochtemperaturkorrosion beständigen (d.h. inert verhaltenden)
Material, vorzugsweise aus Keramik oder aus einem hochtemperaturbeständigen Glas
(insbes. Quarzglas, Glaskeramik), eingesetzt ist.
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Es
liegt auch im Rahmen der Erfindung, das Innenrohr aus einem hochtemperaturbeständigem Glas
vorzusehen, während
das äußere Rohr
aus einem anderen Material besteht. Das distale Ende der Sonde wird
dann nicht über
eine Verschweißung, sondern über eine
vorgenannte andere Verbindungsart gasdicht abgeschlossen.
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Die
Komponenten der Sonde, mit denen das Probengas aufgesaugt wird,
müssen
so konzipiert sein, dass das Gas auf dem Weg durch die Kesselwand
nach außen
nicht so stark abkühlt,
dass es zu Kondensationen kommt. Dennoch sollte das Probengas möglichst
schnell auf eine Temperatur zwischen 250 °C und 300 °C gekühlt werden, um schnellen Reaktionen
im Probengas selbst oder mit dem inneren Rohr bzw. dem vorgenannten
separaten Rohr nur ein kleines Zeitfenster zu geben. Vorzugsweise
ist eine direkte Wärmeübertragung
von dem für
die Kühlung vorgesehenen
Gasstromes direkt am Gaseinlass, d. h. ohne eine Vorwärmung zu
vermeiden. Dies wird beispielsweise durch eine Anordnung des Gaseinlasses
(für das
Kühlgas)
im Erstreckungsbereich der Gasrückführung (enthält das bereits
durch die Sonde vorgewärmte
rücklaufende
Kühlgas)
realisiert.
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Davon
abweichend sind einzelne Anwendungen, wie z.B. eine Absaugung eines
Aerosols als Probengas, denkbar, bei ausnahmsweise eine schnelle
Abkühlung
deutlich unter den vorgenannten Temperaturbereich geradezu erwünscht ist.
Dies gilt insbesondere dann, wenn Verdampfungen oder Sublimationseffekte
im bereits im aufgenommenen Probengas eine Verfälschung der Messergebnisse
führen
würden.
In diesen Ausnahmefällen
strebt man zur Vermeidung der genannten Verfälschung eine besonders schnelle
Abkühlung
des Probengases an. Eine derartige Beprobung ist grundsätzlich mit
der Erfindung möglich,
wobei vorzugsweise eine besonders schnel le Wärmeübertragung über eine direkte Zuleitung
des zu Kühlung
vorgesehenen Gasstromes ohne Vorwärmung auf das Probengas vorzusehen ist.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Gaseinlass sich
nicht im Erstreckungsbereich der Gasrückführung befindet. Oft lässt sich
dies (vor einer weiteren Optimierung) sogar in vorteilhafter Weise
ohne bauliche Änderung
der zuvor genannten Hochtemperaturentnahmesonde einfach dadurch realisieren,
dass die Kühlluft
durch die für
diese vorgesehenen Kanäle
oder Leitungen durch die Hochtemperaturentnahmesonde in umgekehrter
Richtung geleitet wird.
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Für die thermisch
belasteten tragenden Komponenten der Sonde wie das innere und das äußere Rohr
eignet sich trotz der begrenzten Korrosionsfestigkeit ein legierter
Stahl. Die hinzulegierten Elemente müssen jedoch leichter als Eisen
oxidieren und außerdem
eine diffusionshemmende Oxidschicht bilden, wie das bei Chrom und
Silizium der Fall ist, kann die Zunderbeständigkeit wesentlich erhöht werden.
Der austenitische Chromnickelstahl 1.4841 (nach DIN 17007) hat eine
Zundergrenztemperatur von 1150 °C
in Luft und behält
seine Zugfestigkeit bis zu hohen Temperaturen. Dieser Stahl ist daher
trotz seiner hohen Kosten das Material der Wahl für die tragenden
Rohre der in dargestellten Sonde.
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Wesentlich
für den
Einsatz der Hochtemperaturentnahmesonde ist die Warmfestigkeit,
d.h. die Formstabilität
bei hohen Temperaturen der eingesetzten Materialen des inneren oder äußeren Rohres 1
bzw. 2. Mindestens eines der vorgenannten Rohre muss in der Lage
sein, bei allen auftretenden Temperaturen das Gewicht zu tragen
und ggf. mögliche
mechanische Kräfte
beispielsweise durch einen Verbrennungsprozess abzufangen. Hier
eigenen sich insbesondere die vorgenannten VA-Stähle der Klasse 1.4841 als Rohrmaterialien,
welche selbst ohne Kühlung
auch bei Temperaturen bis 1100°C
noch eine ausreichende Formstabilität aufweisen. Ist ein Einsatzbereich
ohne Kühlung
bis 800°C
ausreichend, erweitert sich das Spektrum der geeigneten Materialien
erheblich. Grundsätzlich
eigenen sich dann Werkstoffe folgender Klassen oder Bezeichnungen:
1.4571, X.10CrAl13.3, TT St 35, TT St 45, 10MnAl4.4, 8SiTi4.6, 1.4762;
X12CrNi2521, 1.248, 1.247 ck75 ck101, GX40CrSi17 (bis 950°C), GX40CrSi29,
1.4086, 1.4408, G-X120Cr29, G-X8CrNiMo19,
X-7CrNiAl17-7, 1.4568, Wolfram oder Titan.
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Zur
Reduzierung der thermischen Belastung des äußeren Rohres und des zur Kühlung erforderlichen
Gasstromes bietet es sich an, um das äußere Rohr eine zusätzliche
Isolierung und/oder ein Hitzeschild als nicht tragende Komponenten,
vorzugsweise eine isolierende Keramikfasermatte und/oder ein Mantelrohr
(Metall oder Keramik) vorzusehen. Dabei ist es völlig ausreichend, diese Komponenten,
insbesondere aber das der Hochtemperaturkorrosion am meisten ausgesetzte
Mantelrohr als austauschbare Verschleißkomponenten mit vergleichsweise
geringer Lebensdauer zu konzipieren. Mit der zusätzlichen Isolierung und/oder
dem Hitzeschild steht der Gasstrom in vorteilhafter Weise bevorzugt
zur Kühlung
der Schweißnähte am distalen
Ende der Hochtemperaturentnahmesonde zur Verfügung. Je nach Auslegung verringert
sich dadurch die erforderliche Kühlleistung
für das äußere Rohr
oder andererseits die Aufwärmung
des für
die Kühlung
erforderlichen Gasstromes.
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Mit
dem dargestellten Konzept erfolgt in vorteilhafter Weise eine direkte
Zuleitung eines zur Kühlung
erforderlichen Gasstromes gezielt zu der thermisch höchstbelasteten
Stelle der Sonde, nämlich
zu der gasdichten Verbindung wie die vorgenannt Verschweißung am
distalen Ende der Sonde.
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Vorzugsweise
ist das Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ein gasdicht abgeschlossener
Hohlraum, wobei allein der Gaseinlass und der Gasablauf die einzigen Öffnungen
darstellen.
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Zum
Ausgleich von unterschiedlicher Aufheizung von innerem und äußeren Rohr
sollte zur Vermeidung von thermisch bedingten Spannungen in den
Rohren eine Dehnungskompensation oder andere Ausgleichsmöglichkeiten
vorgesehen werden. Vorzugsweise erfolgt dies durch Komponenten,
welche am proximalen Ende den Zwischenraum zwischen dem inneren
und dem äußeren Rohr
dichtend verbin den, aber eine vorzugsweise axiale Verschiebung zulassen.
Als Beispiele werden eine Rutschdichtung (z.B. aus Graphit) oder
ein Metallschlauch (Metallwelschlauch) angegeben.
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Die
Erfindung ist als Hochtemperaturentnahmesonde für folgende Einsatzgebiete besonders
geeignet:
- a) In Kraftwerken (Kohle, Öl, Gas,
Biomasse, Müll)
zur Überwachung
der Verbrennung im Feuerraum,
- b) bei der Zementherstellung zur Überwachung der Verbrennung
im Feuerraum, speziell dann, wenn keine fossilen Brennstoffe verwendet
werden (Autoreifen, Kunststoffe, Chemieabfälle),
- c) bei der thermische Behandlung (Verbrennung, Pyrolyse) von
Sondermüll
zur Überwachung
der Verbrennung im Feuerraum,
- d) in der petrochemische Industrie (z.B. Kohlevergasung) für die Probenahme
aus Reaktoren,
- e) in der Stahlindustrie zur Gasentnahme in der Nähe von Schmelzen
bzw. für
die Prozessraum- oder Schadstoffüberwachung
beim Lichtbogenschmelzen (Interessant vor allem bei der Herstellung
von Stahl aus Schrott, Stahlrecycling) sowie
- f) bei der Probenahme aus Nitrieröfen.
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Die
vorgenannte Gaszuführung
und Gasabführung
zwischen innerem und äußerem Rohr
ist auf mehrere Arten realisierbar. Beispielhaft, jedoch nicht einschränkend auf
den Schutzbereich, seien hier zwei Konzeptionen als bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der vorgenannten beiden Ausführungsbeispiele
mit Hilfe mehrerer Figuren näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
seitliche Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispieles einer Hochtemperaturentnahmesonde
ohne zusätzliche
thermische Isolierung auf dem Außenrohr,
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2 einen
Querschnitt der Hochtemperaturentnahmesonde (erstes Ausführungsbeispiel, Schnitt
A – A
gemäß 1),
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3 eine
seitliche Schnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispieles einer Hochtemperaturentnahmesonde
ohne zusätzliche
thermische Isolierung auf dem Außenrohr sowie
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4 einen
Querschnitt der Hochtemperaturentnahmesonde (zweites Ausführungsbeispiel, Schnitt
B – B
gemäß 4).
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1 und 3 zeigen
jeweils eine Hochtemperaturentnahmesonde mit je einem inneren und einem äußeren Rohr 1 und 2,
welche am distalen Ende 3 der Sonde gemeinsam mit einem
Ringblech 4 gasdicht miteinander verschweißt wurden.
Proximalseitig enden die beiden Rohre 1 und 2 jeweils
in einen Verteiler 5, wobei das äußere Rohr 2 fest und gasdicht
mit dem Verteiler 5 verbunden ist und das innere Rohr im
Verteiler 5 axial geführt
ist. Am proximalen Ende 6 der Sonde dichtet eine über eine
Hülsenmutter 7 vorspannbare
Graphitdichtung 8 den Spalt zwischen innerem Rohr 1 und
Verteiler 5 gasdicht ab.
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Am
Verteiler 5 befinden sich bei beiden Ausführungsbeispielen
je ein Gaseinlass 9 und ein Gasablauf 10 für die Zu-
und Abführung
eines zur Kühlung
der Sonde erforderlichen Gasstromes. Sowohl Gaseinlass 9 als
auch Gasablauf 10 münden
in jeweils einen Ringkanal 11 und 12, eingearbeitet
im Verteiler und gasdicht abgedeckt jeweils durch ein als Träger für den Gaseinlass
und Gasablauf 9 und 10 dienendes Abdeckrohr 13 und 14.
Dabei dient der Ringkanal 11 als Verteilerkanal für die Gaszuführung in
die um den Umfang der Rohre 1 und 2 verteilten Gaszuführung 15,
d. h einen oder mehreren Kanälen, in
Richtung des distalen Endes 3 der Sonde. Am distalen Ende
wird das Ringblech 4 vom Gasstrom direkt angeströmt und gekühlt. Im
Anschluss daran wird der Gasstrom über eine Gasrückführung 10,
d. h. ebenfalls über
einen oder mehrere Kanäle
(ebenfalls um den Umfang der Rohre 1 und 2 verteilt),
zum Verteiler 5 zurückgeführt, wobei
die Gasrückfüh rung in
den Ringkanal 12 und damit in den Gasablauf 10 ausmündet.
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Zur
Vermeidung von größeren axial
ausgerichteten Temperaturgradienten im inneren Rohr im Bereich des
proximalen Endes 6 und damit in der angesaugten Gasprobe
(schädliche
Wirkung durch zu schnelles Abkühlen,
Kondensation etc.) wird die Gasrückführung in
Richtung des proximalen Endes der Hochtemperaturentnahmesonde an
dem Gaseinlass für
die Gaszuführung
vorbeigeleitet. Auf diese Weise befindet sich der Gasstrom bereits
am Gaseinlass im unmittelbaren Wirkbereich des bereits vorgewärmten Gasstromes
in der Gasrückführung, d.h. das
eingeleitete Gas am Gaseinlass wird von Anfang an kontinuierlich
im Gegenstromprinzip durch den aufgewärmten rückgeführten Gasstrom temperiert.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
gemäß 1 kennzeichnet
sich dadurch, dass die Gaszuführung 15 durch
ein um den Umfang der Rohre 1 und 2 gleichmäßig verteiltes
Rohrbündel
realisiert ist. Die Gasrückführung 16 besteht
ebenfalls aus einem Rohrbündel,
welches sich ebenfalls um den Umfang der Rohre 1 und 2 gleichmäßig erstreckt.
Vorzugsweise sind die jeweiligen Einzelrohre für die Gaszuführung 17 und
für die
Gasrückführung 18 in
wechselnder Reihenfolge, wie in der Schnittdarstellung gem. 2 dargestellt,
angeordnet. Am proximalen Ende 6 der Sonde münden die
Rohrbündel
in den entsprechenden Ringkanälen 11 bzw. 12 aus.
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Die
Einzelrohre für
die Gasrückführung 18 sind
ferner durch die Zwischenräume
zwischen den Einzelrohren für
den Gaszuführung 17 als
Gasrückführung ersetzbar.
Eine derartige Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels würde die
Effizienz der Gaskühlung
sogar noch verbessern, da die Gasrückführung direkt an der Wandung
des inneren bzw. äußeren Rohres 1 und 2 ohne
zwischengeschaltete Einzelrohrwandung angreift, während der
Gaszuführung
weiterhin über
die Einzelrohre 17, d.h. nur mit vergleichsweise geringen
Wärmeverlusten
direkt zur thermisch höchstbelasteten
Stelle, nämlich
der Verschweißung
am distalen Ende 3 der Sonde geführt wird.
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Das
zweite Ausführungsbeispiele
(3 und 4) weist anstelle der vorgenannten
Rohrbündel ein
zwischen inneren und äußerem Rohr 1 bzw. 2 ein konzentrisch
zu diesen eingesetztes Zwischenrohr 19 auf, mit mindestens
einen Durchbruch 20 am distalen Ende als Gasdurchlass.
Alternativ endet das Rohr unmittelbar vor dem Ringblech unter Bildung
eines Ringspaltes (in 3 nicht dargestellt). Zur Sicherstellung
der konzentrischen Lage des Zwischenrohrs 19, stützt sich
dieses mit Abstandshaltern 21, beispielsweise Stifte, Bolzen
(3), oder auch axial ausgerichtete Rippen (nicht
dargestellt, auch für
eine verbesserte Wärmeübertragung
heranziehbar) gegen das innere und äußere Rohr. ab. Die Gaszuführung 15 erfolgt
durch den Zwischenraum zwischen Zwischenrohr 19 und äußeren Rohr 15 und
mündet proximalseitig
in den Ringkanal 11, während
die Gasrückführung 16 zwischen
Zwischenrohr und innerem Rohr erfolgt und proximalseitig in den
Ringkanal 12 einmündet.
Gegenüber
dem ersten werden im zweiten Ausführungsbeispiel in besonders
vorteilhafter Weise vor allem im inneren Rohr 1 wesentlich
geringere Temperaturgradienten erzielt. Andererseits ist für eine wirksame
Kühlung
des höchstbelasteten
distalen Endes 3 der Sonde zwingend erforderlich die Aufheizung
im Bereich der Gaszuführung
wirksam zu begrenzen, beispielsweise durch die vorgenannten Maßnahmen
(thermische Isolierung und/oder Hitzeschutzschild) um das äußere Rohr 2.
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Grundsätzlich übernimmt
eines der beiden Rohre 1 oder 2 den größten Teil
der tragenden Funktion. Beim Einsatz bei über 1000°C ist es meist das innere Rohr
das tragende, da es gegenüber
dem äußeren Rohr 2 nicht
wie dieses direkt dem thermischen Prozess ausgesetzt ist, damit
besser kühlbar ist
und aufgrund der geringeren Temperaturen formstabiler ist.
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Wird
das äußere Rohr
dagegen zusätzlich isoliert
und nicht direkt den heißen
Prozessgasen ausgesetzt, kommt das größere Flächenträgheitsmoment und damit einen
größeren Widerstand
gegen ein Verbiegen des äußeren Rohres
zunehmend zum Tragen.
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In
jedem Fall ist das jeweils tragende Rohr es mit einer ausreichend
hohen Wanddicke zu versehen, wobei zu erwartende Korrosionsschäden mit
zu berücksichtigen
sind. Die Wanddicke kann jedoch zum distalen Ende 3 hin
konifiziert gestaltet werden.
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Es
zeigte sich, dass sich wegen der geringen Wärmekapazität von Luft nicht genügend Wärme abführen lässt, um
die Hochtemperaturentnahmesonde kühl genug zu halten. Aus diesem
Grund wurde die Sonde mit einer Wärmeisolierung (G) aus 3,2 mm
dickem Keramik-Papier der Firma KAGER GmbH (Dietzenbach, Deutschland)
versehen. Das einlagige, bis 1260 °C verwendbare Isoliermaterial
wurde mit einem nicht zwingend gegen Hochtemperaturkorrosion beständigen Edelstahlrohr
(H) fixiert und geschützt.
Nach einem 4 Wochen Dauereinsatz im Feuerraum einer Müllverbrennungsanlage
bei 1200°C war
zwar die Korrosion des Edelstahlrohrs bereits sehr fortgeschritten,
die Hochtemperaturentnahmesonde, die zur Kühlung an eine 8 bar-Druckluftversorgung
angeschlossen war, war ansonsten unversehrt. Die Druckluft für die Hochtemperaturentnahmesonde,
die bei bis zu 1300 °C
90 cm frei von der Kesselwand ins Feuer ragte, musste mit einem
Absperrhahn reduziert werden, damit sich das Probengas in dem 50
cm langen Stück
der Hochtemperaturentnahmesonde, das sich in der Kesselwand befand,
nicht unter 250 °C
abkühlte.
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Im
Innenrohr wurde für
die Messung der Rauchgaszusammensetzung ein Quarzglasrohr (Schmelztemperatur
1710 °C)
mit 6 mm Innendurchmesser eingesetzt, durch das das Probengas aus dem
Kessel zum ersten Filter einer nachgeschalteten Gasanalytik gelangt.
Das Quarzrohr ragte am distalen Ende 3 der Sonde einige
Zentimeter aus dem inneren Rohr 1 heraus, womit sich die
Gefahr eines Einströmens
von Gasen aus dem. Zwischenraum zwischen inneren Rohr und Quarzglasrohr
wirksam reduzieren lässt.
Weiterhin wird zur Vermeidung eines vorgenannten Einströmens am
proximalen Ende 6 der Sonde der Zwischenraum zwischen Quarzrohr und
inneren Rohr 1 möglichst
dicht mit Glaswolle verpresst, wodurch im Gegenzug auch ein Luftzug
durch den Zwischenraum in Richtung des distalen Endes 1, hervorgerufen
durch einen möglichen
Unterdruck im Kes sel bzw. Prozess- oder Brennraum vermieden wird.
Ein derartiger Luftzug würde
nämlich
durch das Quarzrohr wieder angesaugt werden und das Messergebnis
verfälschen.
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Bei
einem Einsatz von Quarzglas ist jedoch zu beachten, dass Quarz (β-Quarz) bei
diesen Temperaturen seine Kristallstruktur langsam erst zu α-Quarz (ab
573 °C)
und dann zu β-Tridymit
(ab 870 °C) ändert und
dabei durch das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten der Gefüge milchig
und sehr porös
wird. Dies begrenzt auch die zulässige
Länge des
aus dem inneren Rohr herausragenden Quarzrohres.
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Bei
einem Volumenstrom von 5 l/min und einem Quarzrohr-Innendurchmesser
von 6 mm wird das Probengas in einem Versuch von 1280°C innerhalb
von 0,4 Sekunden auf eine Temperatur von unter 300 °C abgekühlt, bei
der das Gas weitgehend nicht mehr reaktiv ist.
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Die
Hochtemperaturentnahmesonde passt im Falle eines Außendurchmessers
von 50 mm gut durch die an Müllverbrennungsanlagen
(MVA) üblichen
2,5'' -Stutzen. Die bis
zu 250 °C
heiße
Kühlabluft
kann dabei anstelle über
den Gasablauf auch über
einen weiteren freien Stutzen an anderer Stelle in den Feuerraum
geblasen, oder durch einen Schalldämpfer (vor allem zur Dämpfung von
lauteren Düsengeräuschen durch
den Gasstrom) in das Kesselhaus entlassen werden.
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Bei
Abgasmessungen in der Flammenzone einer MVA kann das Probengas nicht
mit einem einfachen Rohr entnommen werden.
- • Das Probengas
muss auch bei 1300 °C
mindestens 50 cm entfernt von der Kesselwand entnommen werden.
- • Da
das Probengas zur Vermeidung von Kondensationen in der Probenahme
nicht unter 250 °C abkühlen darf,
muss die Probenahme in der bis zu 60 cm dicken Kesselwand aktiv
geheizt werden.
- • Das
reaktive Probengas soll möglichst
nur mit inerten Oberflächen
in Berührung
kommen und möglichst
schnell auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei der Reaktionen
im Analysengas stark verlangsamt werden.
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Hochtemperaturentnahmesonden
der vorgenannten Konzeptionen können
bei 1200 °C
mehrere Wochen lang bis zu 1 m waagrecht ins Feuer ragen. In ihr
verläuft
ein inertes Quarzglasrohr, in dem das Probengas schnell auf ca.
250 °C abgekühlt wird.
Die Sonde ist durch Druckluft (Kühlluft,
Pressluft) gekühlt.
Die Wärme,
die die Kühlluft
am distalen Ende 3 der Sonde aufnimmt, dient u. A. der
moderaten Erwärmung
speziell des äußeren Rohrs
im Bereich der Kesselwanddurchführung.
Durch Verändern
des Kühlluftstroms
kann die Hochtemperaturentnahmesonde an verschiedene Kesseltemperaturen
und Wanddicken (insbes. des inneren und äußeren Rohrs) angepasst werden.
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- 1
- inneres
Rohr
- 2
- äußeres Rohr
- 3
- distale
Ende der Sonde
- 4
- Ringblech
- 5
- Verteiler
- 6
- proximale
Ende der Sonde
- 7
- Hülsenmutter
- 8
- Graphitdichtung
- 9
- Gaseinlass
- 10
- Gasablauf
- 11
- Ringkanal
für Gaseinlass
- 12
- Ringkanal
für Gasablauf
- 13
- Abdeckrohr
für Gaseinlass
- 14
- Abdeckrohr
für Gasablauf
- 15
- Gaszuführung
- 16
- Gasrückführung
- 17
- Einzelrohre
für den
Gaszuführung
- 18
- Einzelrohre
für die
Gasrückführung
- 19
- Zwischenrohr
- 20
- Durchbruch
- 21
- Abstandshalter
-
Literatur
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- [1] VDI 3499, Blatt 3 (Entwurf 1996): Messen von Emissionen – Messen
von polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen (PCDD) und Dibenzofuranen
(PCDF) – Gekühlte Absaugrohr
Methode
- [2] ECM Ingenieurunternehmen für Energie- und Umwelttechnik
GmbH (80339 München):
Broschüre: Gasentnahmesonden,
Sonden und Düsen
für den Cesic® Einsatz
in Heißgasbereichen,
www.cesic.de (Stand 10.11.2003)