DE19523599A1

DE19523599A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Massenstromverlaufs mindestens einer Emissionskomponente eines Verbrennungsabgases

Info

Publication number: DE19523599A1
Application number: DE1995123599
Authority: DE
Inventors: Dahlhaus Johannes Dipl I Grose; Wilhelm Korsmeier; Manfred Dr Ing Hoppe
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Erfassen des Massenstromverlaufs mindestens einer Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr strömenden Verbrennungsabgases bei instationärer Emission unter wechselnden Betriebsbedingungen.

Emissionsmessungen bei stationärer Emission, wie sie un ter konstanten Betriebsbedingungen auftritt, sind in der Praxis erprobt. Bei instationärer Emission unter wechselnden Betriebsbedingungen sind derartige Messungen bisher ledig lich labormäßig möglich. Sie erfordern einen hohen meßtech nischen Aufwand, der in der Praxis schwer realisierbar ist. Trotz des hohen Aufwandes lassen die Meßergebnisse zu wün schen übrig, insbesondere wenn es darum geht, auf rasche Änderungen des Abgasvolumenstroms und/oder der Abgaszusam mensetzung zu reagieren. Gerade wechselnde Betriebsbedingun gen sind für die Schadstoffemission besonders kritisch. Verwiesen sei beispielsweise auf die Anfahrperiode von Verbrennungsanlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in praxisge rechter Weise sehr genaue Emissionsmessungen bei wechselnden Betriebsbedingungen zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Er findung dadurch gekennzeichnet,

- daß der Strömungsgeschwindigkeitsverlauf und der Tem peraturverlauf des Verbrennungsabgases im Abgasrohr gemessen und gespeichert werden sowie hieraus der Volumenstromverlauf des Verbrennungsabgases ermittelt wird;
- daß ein Teilstrom des Verbrennungsabgases als Proben gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit in ein Speicherrohr eingeleitet wird, die dem gemessenen Strömungsgeschwindig keitsverlauf im Abgasrohr entspricht;
- daß das Probengas im Speicherrohr gekühlt wird;
- daß der Druck im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck ausgeglichen wird;
- daß das Probengas mit definierter, konstanter Strö mungsgeschwindigkeit mindestens einem Analysengerät für die Emissionskomponente zugeführt und durch das Analysengerät hindurchgesaugt wird, wobei das Konzentrationsprofil der Emissionskomponente erfaßt wird; und
- daß aus dem Konzentrationsprofil der Emissionskompo nente unter Einbeziehung des Volumenstromverlaufs und des Temperaturverlaufs des Verbrennungsabgases während der Probenentnahme der Massenstromverlauf der Emissionskompo nente ermittelt wird.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Proben gasentnahme und die Analyse zeitlich voneinander abzukop peln, und zwar ohne Störung des Konzentrationsprofils des Probengases.

Die Probengasentnahme erfolgt instationär und berück sichtigt die auftretenden Volumenstrom-Änderungen des Ver brennungsabgases. Die eigentliche Analyse wird drucklos durchgeführt, wobei das Probengas mit konstanter, defi nierter Strömungsgeschwindigkeit, also stationär durch das Analysengerät hindurchgesaugt wird. Die Anordnung einer Meßgaspumpe hinter dem Analysengerät stellt in Verbindung mit einem Verzicht auf etwaige Störelemente (Filter oder dergleichen) vor dem Analysengerät sicher, daß das Konzen trationsprofil des Probengases erhalten bleibt. Hierzu trägt auch bei, daß die Verweilzeit des Probengases im Speicher rohr sehr gering ist, da lediglich der Druckausgleich durch geführt werden muß. Auch läßt sich das Speicherrohr in seinem Durchmesser so auslegen, daß eine Durchmischung des Probengases in Rohrlängsrichtung minimiert bzw. ausgeschlos sen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit im Analysengerät und der Volumenstrom durch das Analysengerät werden so opti miert, daß das Analysengerät exakte Signale mit ausreichen der Auflösung an eine Auswerteeinheit (Rechner) liefern kann. Als Analysengerät lassen sich Geräte einsetzen, die für stationäre Emission, also für konstante Zuströmung geeignet und erprobt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für atmosphä rische oder gebläseunterstützte haushaltliche und industrielle Geräte, für Motoren und Turbinen sowie für den Prüfstand und für Feldtests. Dabei ist der wirtschaftliche Aufwand gering.

Zur Erzielung eines repräsentativen Probengases wird vorgeschlagen, die Probengasentnahme über dem Querschnitt des Abgasrohres mit gleicher Entnahmegeschwindigkeit durch zuführen.

In der Praxis wird man nicht nur eine Emissionskomponen te erfassen, sondern gleichzeitig deren mehrere. Von In teresse sind vor allem CO, CO₂, C_xH_y und NO_x. Sofern zusätz liche Aussagen über den Verbrennungsablauf getroffen werden sollen, kann außerdem O₂ gemessen werden.

Bei Verwendung mehrerer Analysengeräte für mehrere Emis sionskomponenten wird das Probengas vorzugsweise mit lamina rer Strömung auf die Analysengeräte verteilt. Dadurch wird sichergestellt, daß beim Aufteilungsvorgang keine Verfäl schung des Konzentrationsprofils des Probengases auftritt.

Ferner ist es vorteilhaft, das Probengas zeitgleich auf die Analysengeräte zu verteilen, um bei der Auswertung sämtliche Analysewerte gleichzeitig auf den Volumenstromver lauf des Verbrennungsabgases während der Probenentnahme rückbeziehen zu können.

Versuche haben gezeigt, daß beste Ergebnisse dann er zielt werden, wenn die Füllzeit des Speicherrohres ca. 10 bis 15 Sekunden beträgt, wobei die anschließende Analysen dauer bei etwa dem 10fachen Wert liegt. Auf diese Weise läßt sich ein repräsentativer Zeitraum (z. B. die Anfahrphase) erfassen und ohne Störung des Konzentrationsprofils des Probengases, unter optimaler Nutzung der Analysengeräte, auswerten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Vorrichtung nach der Erfindung gekennzeichnet durch

- im Abgasrohr angeordnete Strömungsgeschwindigkeits- und Temperaturmeßgeräte, die an einen Rechner angeschlossen sind;
- eine mit dem Abgasrohr verbundene Probengas-Entnahme sonde;
- ein mit der Entnahmesonde verbundenes Proben gas-Speicherrohr mit integrierter Meßgaskühlung;
- eine Einrichtung zum Steuern der Strömungsgeschwindig keit im Speicherrohr während der Probengas-Entnahme in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr;
- eine Einrichtung zum Ausgleichen des Drucks im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck;
- mindestens ein Analysengerät für die Emissionskompo nente, das an den Rechner angeschlossen ist; und
- eine Einrichtung zum Hindurchsaugen des Probengases durch das Analysengerät mit konstanter, definierter Geschwindigkeit.

Mit dieser Vorrichtung lassen sich die vorstehend disku tierten Vorteile erzielen, wobei die Vorrichtung nicht nur wirtschaftlich günstig, sondern außerdem auch gut zu handha ben ist.

Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschla gen, daß die Probengas-Entnahmesonde sich über den Quer schnitt des Abgasrohres erstreckt und eine gleiche Entnahme geschwindigkeit an allen Entnahmestellen bewirkt.

Bei Verwendung mehrerer Analysengeräte für verschiedene Emissionskomponenten ist vorzugsweise ein Probengas-Vertei ler mit einer Mehrzahl von Kanälen vorgesehen, die unter definiertem Winkel an einer Verteilstelle zusammenlaufen. Der definierte Winkel ist so gewählt, daß sämtliche zu den Analysengeräten führenden Kanäle mit gleichem Konzentrationsprofil beaufschlagt werden. Das in den Ver teiler einströmende Probengas wird in Form von laminaren Stromfäden gleichen Konzentrationsprofils auf die Analysen geräte verteilt.

Vorteilhafterweise sind die Analysengeräte über Leitun gen gleicher Länge mit dem Probengas-Verteiler verbunden, so daß sie also zeitgleiche Meßsignale an den Rechner liefern können.

Eine optimale Wirksamkeit der Analysengeräte bedingt eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit und einen bestimmten Volumenstrom innerhalb der Analysengeräte. Ferner spielt im Hinblick auf die Aufrechterhaltung des Konzentrationsver laufs im Probengas die Aufenthaltsdauer im Speicherrohr eine Rolle. Aus diesen Werten resultieren die Kapazität des Speicherrohres und die Länge des erfaßbaren Zeitabschnitts. Auch die konstruktive Gestaltung des Speicherrohres ist von Bedeutung. Es wurde gefunden, daß dessen Durchmesser vor zugsweise ca. 8 mm beträgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Proben gas-Verteilers.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Abgasrohr 1 vorgese hen, das von einem Verbrennungsabgas durchströmt wird. Letzteres stammt aus einer Verbrennungsvorrichtung, die unter wechselnden Betriebsbedingungen arbeitet. Dement sprechend ändern sich sowohl der Volumenstrom des Verbren nungsabgases als auch dessen Zusammensetzung.

Im Abgasrohr 1 arbeiten ein Strömungsgeschwindigkeits meßgerät 2 und ein Temperaturmeßgerät 2′, die mit einem Rechner 3 gekoppelt sind. Der Rechner 3 speichert den Strö mungsgeschwindigkeitsverlauf zur Ermittlung des Volumen stromverlaufs.

Ferner ist im Abgasrohr 1 eine Probengas-Entnahmesonde 4 vorgesehen. Sie erstreckt sich über den Querschnitt des Abgasrohres 1 und weist eine dreieckförmige Entnahmeöffnung auf. Diese ist so dimensioniert, daß die Entnahme des Pro bengases an jeder Stelle mit gleicher Geschwindigkeit durchgeführt wird.

Die Entnahmesonde 4 ist mit einem Probengas-Speicherrohr 5 gekoppelt, das eine integrierte Meßgaskühlung aufweist. In dieses Speicherrohr 5 wird das Probengas durch die Entnahme sonde 4 hindurch eingesaugt. Hierzu dient eine Meßgaspumpe 6, die unter Zwischenschaltung eines Geschwindig keitsmeßgeräts 7 an das Speicherrohr 5 angeschlossen ist. Der Rechner 3 liefert die momentane Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr 1, und die Meßgaspumpe 6 wird so gesteuert, daß das Probengas mit derselben Geschwindigkeit, gemessen vom Geschwindigkeitsmeßgerät 7, in das Speicherrohr 5 eintritt. Nach vorgegebener Zeitspanne enthält das Speicherrohr 5 ein definiertes Volumen an Probengas.

Sodann wird ein vor dem Geschwindigkeitsmeßgeräts 7 an geordnetes Ventil 8 geschlossen, und der Druck im Speicher rohr 5 wird auf den Atmosphärendruck ausgeglichen und über einen Drucksensor 9 überprüft.

Direkt im Anschluß hieran wird das Probengas einer Mehr zahl von Analysengeräten 10 für die einzelnen Emissionskom ponenten zugeführt. Hierzu wird ein nach dem Speicherrohr 5 angeordnetes und bis dahin geschlossenes Ventil 11 geöffnet. Gleichzeitig wird ein Ventil 12 geschlossen, das die Analysengeräte bis dahin mit Atmosphärenluft beschickt hat. Jedem der Analysengeräte 10 ist eine Meßgaspumpe 13 nachge schaltet, so daß das Probengas durch die Analysengeräte 10 hindurchgesaugt wird.

Das Speicherrohr 5 hat im Falle des Ausführungsbeispiels einen Durchmesser von 8 mm und ist in seiner Länge so aus gewählt, daß es ohne Beeinträchtigung des Konzentrations profils des Probengases ein ausreichendes Volumen an Proben gas aufnehmen kann, um die Analysengeräte 10 mit definierter Strömungsgeschwindigkeit und definiertem Volumenstrom zu beschicken. Die Füllzeit des Speicherrohres 5 ist auf etwa 10 bis 15 Sekunden eingestellt, während der Durchlauf durch die Analysengeräte 10 etwa 100 Sekunden dauert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Entnahme des Probengases zeitgleich mit dem instationären Vorgang. Die Analyse ist zeitlich hiervon abgekoppelt. Die Analysen geräte 10 können also stationär, d. h. mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Volumenstrom beaufschlagt werden.

Die Analysengeräte 10 liefern die ermittelten Konzentra tionsprofile an den Rechner 3. Dieser verknüpft die Konzen trationsprofile mit dem während der Entnahme des Probengases ermittelten Volumenstromverlauf und Temperaturverlauf zum Massenstromverlauf der Emissionskomponenten. Es ergibt sich somit ein sehr exaktes Bild über den zeitlichen Verlauf der instationären Emission.

Den Analysengeräten 10 ist ein Probengas-Verteiler 14 (Fig. 2) vorgeschaltet, der ohne Beeinträchtigung des Kon zentrationsprofils des Probengases letzteres auf die einzel nen Analysengeräte 10 verteilt. Der Verteiler 14 weist eine Mehrzahl von Kanälen 15 auf, die unter definiertem Winkel an einer Verteilstelle zusammenlaufen und den Strom des Proben gases in laminare Stromfäden aufteilen.

Jedes Analysengerät 10 ist über eine Leitung 16 mit dem Verteiler 14 verbunden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß alle Leitungen 16 von gleicher Länge sind. Sämt liche Analysengeräte 10 liefern also ihre Meßwerte praktisch zeitgleich an den Rechner 3.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög lichkeiten gegeben. So kann die Vorrichtung durch weitere Analysengeräte ergänzt oder aber auch auf weniger Analysen geräte beschränkt werden. Wird nur ein einziges Analysenge rät eingesetzt, so kann der Verteiler 14 entfallen. Ferner kann das Speicherrohr anders dimensioniert sein. Wesentlich ist, daß einerseits das Konzentrationsprofil des Probengases durch die Speicherung nicht verfälscht wird und daß anderer seits die Analysengeräte mit optimierter konstanter und definierter Durchströmung arbeiten können. An das Erfassen der Massenstromverläufe der Emissionskomponenten kann sich ein Integrationsschritt anschließen, der dann die Gesamt masse jeder Emissionskomponente für ein bestimmtes Zeitin tervall angibt.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen des Massenstromverlaufs min destens einer Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr strömenden Verbrennungsabgases bei instationärer Emission unter wechselnden Betriebsbedingungen dadurch gekennzeichnet,

- daß der Strömungsgeschwindigkeitsverlauf und der Tem peraturverlauf des Verbrennungsabgases im Abgasrohr gemessen und gespeichert werden sowie hieraus der Volumenstromverlauf des Verbrennungsabgases ermittelt wird;
- daß ein Teilstrom des Verbrennungsabgases als Proben gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit in ein Speicherrohr eingeleitet wird, die dem gemessenen Strömungsgeschwindig keitsverlauf im Abgasrohr entspricht;
- daß das Probengas im Speicherrohr gekühlt wird;
- daß der Druck im Speicherrohr auf den Atmosphärendruck ausgeglichen wird;
- daß das Probengas mit definierter, konstanter Strö mungsgeschwindigkeit mindestens einem Analysengerät für die Emissionskomponente zugeführt und durch das Analysengerät hindurchgesaugt wird, wobei das Konzentrationsprofil der Emissionskomponente erfaßt wird; und
- daß aus dem Konzentrationsprofil der Emissionskompo nente unter Einbeziehung des Volumenstromverlaufs und des Temperaturverlaufs des Verbrennungsabgases während der Probengasentnahme der Massenstromverlauf der Emissionskom ponente ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengasentnahme über dem Querschnitt des Abgasroh res mit an allen Entnahmestellen gleicher Entnahmegeschwin digkeit durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Probengas bei Verwendung mehrerer Analysengeräte für mehrere Emissionskomponenten mit la minarer Strömung auf die Analysengeräte verteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Probengas zeitgleich auf die Analysengeräte verteilt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllzeit des Speicherrohres 10 bis 15 Sekunden beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysendauer etwa das Zehnfache der Füllzeit des Speicherrohres beträgt.

7. Vorrichtung zum Erfassen des Massenstromverlaufs min destens einer Emissionskomponente eines durch ein Abgasrohr (1) strömenden Verbrennungsabgases bei instationärer Emis sion unter wechselnden Betriebsbedingungen, gekennzeichnet durch

- im Abgasrohr (1) angeordnete Strömungsgeschwindig keits- und Temperaturmeßgeräte (2; 2′), die an einen Rechner (3) angeschlossen sind;
- eine mit dem Abgasrohr (1) verbundenes Probengas-Ent nahmesonde (4);
- ein mit der Entnahmesonde (4) verbundenes Proben gas-Speicherrohr (5) mit integrierter Meßgaskühlung;
- eine Einrichtung (6, 7) zum Steuern der Strömungsge schwindigkeit im Speicherrohr (5) während der Proben gas-Entnahme in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr (1);
- eine Einrichtung (9) zum Ausgleichen des Drucks im Speicherrohr (5) auf den Atmosphärendruck;
- mindestens ein Analysengerät (10) für die Emissions komponente, das an den Rechner (3) angeschlossen ist; und
- eine Einrichtung (13) zum Hindurchsaugen des Probenga ses durch das Analysengerät (10) mit konstanter, definierter Geschwindigkeit.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengas-Entnahmesonde (4) sich über den Quer schnitt des Abgasrohres (1) erstreckt und eine Entnahmeöff nung aufweist, deren Größe eine gleiche Entnahmegeschwindig keit an allen Entnahmestellen bewirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Analysengeräte (10) für mehrere Emissionskomponenten ein Probengas-Verteiler (14) mit einer Mehrzahl von Kanälen (15) vorgesehen ist, die unter definiertem Winkel an einer Verteilstelle zusammenlau fen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysengeräte (10) über Leitungen (16) gleicher Länge mit dem Probengas-Verteiler (14) verbunden sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Speicherrohres (5) ca. 8 mm beträgt.