DE19832411A1 - Anordnung zur Messung des Gehalts an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen in kohlenwasserstoffhaltigen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von in Gasen enthaltenen kon­ densierbaren Kohlenwasserstoffen ("Teeren") mit mindestens einem Flammenionisations- Detektor, wobei dem heiß dem Gerät zugeführten Gas zwei Probengasströme entnommen werden, von denen einer alle Kohlenwasserstoffe des Gases inklusive der kondensierbaren Bestandteile enthält und heiß zum Detektor geleitet wird und der andere über einen geeigneten Filter geleitet wird, um die kondensierbaren Kohlenwasserstoffe abzuscheiden, bevor er zum Detektor gelangt. Durch Differenzbildung der beiden Messungen wird der Gehalt an konden­ sierbaren Kohlenwasserstoffen ermittelt.

Insbesondere bei der Vergasung von biogenen Brennstoffen entsteht ein Gas, daß neben er­ wünschten Kohlenwasserstoffen (Aliphate, Benzol) auch unerwünschte kondensierbare, häu­ fig als Teere oder PAHs bezeichnete Kohlenwasserstoffe enthält. Diese führen bei der Gas­ nutzung in Kraftmaschinen zu Verschmutzungen, die einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb verhindern. Sowohl für den Betrieb von Vergasungsanlagen, als auch zu Forschungszwecken und zur Optimierung von Vergasern ist daher die Bestimmung des Gehalts dieser Kohlenwas­ serstoffe im Gas von großer Bedeutung.

Die bisher verfügbaren Methoden zur Bestimmung des Teergehalts basieren auf einer Proben­ nahme über einen mehr oder weniger langen Zeitraum und einer anschließenden Laboranaly­ se. Bei einem verbreiteten Verfahren werden die Gase durch auf -80°C gekühlte und mit Lösungsmittel (Dichlormethan) gefüllte Waschflaschen geleitet. Die Lösung wird anschlie­ ßend mit Gaschromatographie auf Kohlenwasserstoffe untersucht (beschrieben z. B. in: Mai M., Struschka M., Baumbach G.: Meßverfahren zur Bestimmung von gas- oder aerosolförmigen organischen Emissionen. Fortschritts-Berichte VDI, Reihe 15, Nr. 75, VDI-Ver­ lag Düsseldorf, 1990). Problematisch ist dabei der hohe zeitlichen Aufwand für Proben­ nahme und Analyse. Die Probennahme dauert in der Regel mindestens 30 Minuten. Zwischen Probennahme und Vorliegen des Ergebnisses liegen in jedem Fall mehrere Stunden. Eine kontinuierliche Überwachung des Teergehalts während des Anlagenbetriebs ist nicht möglich. Andere Verfahren beziehen sich auf die Bestimmung des Gesamtkohlenwasserstoffgehalts (Messung mit FID) oder den methanfreien Kohlenwasserstoffgehalt (DT 26 26 905, DE 25 01 057). Ein in DE 43 12 925 beschriebenes Verfahren dient zur Bestimmung von Teerkompo­ nenten (PAHs) in flüssigen Kohlenwasserstoffgemischen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren zu schaffen, daß eine einfache, schnelle und zuverlässige Bestimmung des Gehalts an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen in kohlen­ wasserstoffhaltigen Gasen ermöglicht und damit auch eine kontinuierliche Überwachung des Teergehalts im Gas zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Vergleich der Messung des Gesamtgehalts an Kohlenwasserstoffen und des Gehalts an nicht kondensierbaren Kohlenwasserstoffen er­ zielt, wobei zum Nachweis der Kohlenwasserstoffe ein Flammenionisations-Detektor dient. Zur Erzielung definierter Probengasströme werden zwei Probenschleifen mit sinnvollerweise identischem Volumen durch Absaugen des Gases direkt aus der Anlage befüllt. Je nach An­ forderung kann das Gas dem Gerät auch heiß zugeführt werden. Damit sichergestellt ist, daß beide zu untersuchende Probenvolumen die gleiche Masse Gas mit identischer Zusammenset­ zung enthalten, erfolgt die Befüllung sinnvoller Weise gleichzeitig. Nach dem Füllvorgang werden die Probenschleifen mittels Hochtemperatur-Schaltventilen in den Gasweg zum De­ tektor gebracht. Durch Wegeventilen wird der Traggasstrom beispielsweise zunächst für Pro­ benschleife 1 freigegeben und deren Inhalt dem Detektor zugeführt. Ist der Inhalt von Proben­ schleife 1 vollständig zum Detektor gespült, wird der Traggasstrom für Probenschlaufe 2 frei­ gegeben. Deren Inhalt wir über eine Filterstrecke geleitet, in der alle kondensierbaren Be­ standteile abgeschieden werden und gelangt dann zum Detektor. Das Detektorsignal wird über den gesamten Spülzeitraum aufgezeichnet und für beide Probenschleifen getrennt integriert. Die so ermittelten Flächen sind ein direktes Maß für den Kohlenwasserstoffgehalt mit bzw. ohne kondensierbare Bestandteile. Aus der Differenz läßt sich daher direkt der Gehalt an kon­ densierbaren Kohlenwasserstoffen ermitteln.

Die gesamte Anordnung, ausgenommen der Kondensationsstrecke mit Filter, ist auf ausrei­ chend hohe Temperatur beheizt, um ein Auskondensieren von zu messenden Kohlenwasser­ stoffen zu verhindern. Die Ansteuerung der Ventile und die Aufzeichnung und Auswertung des Signals erfolgt sinnvollerweise durch eine Steuer- und Registriereinheit, beispielsweise einen PC.

Der Aufwand für die Messung nach diesem Verfahren ist gering, insbesondere werden keine Chemikalien und Laboranalysen notwendig.

Die Meßzeit des Verfahrens ist kurz und das Gas wird direkt (online) in das Gerät geleitet. Die Einrichtung ermöglicht daher eine quasikontinuierliche Messung des Teergehalts, zum Beispiel zur Überwachung der Gasqualität eines mit Wärmekraftmaschinen gekoppelten Ver­ gasers.

Weiter ist von Vorteil, daß mit dem Verfahren auch Komponenten registriert werden, die Aufgrund ihres hohen Siedepunkts mit gaschromtographischen Methoden nicht nachweisbar sind.

Beschreibung

Ein Ausführungsbeispiel für die Meßanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Von einer Pumpe (3) wird heißes Gas (1) über eine beheizte Leitung aus der Anlage in die Apparatur gesaugt. Ein Vorfilter (2) dient zur Abscheidung von Partikeln. Die Pumpe wird durch einen Filter (4) gegen Verschmutzung mit Kohlenwasserstoffen gesichert. Die beiden Probenschleifen (5) mit je 2 ml Volumen werden gleichzeitig befüllt. Um sicherzustellen, daß das Gas in beiden Pro­ benschleifen, unabhängig von Schwankungen im zu untersuchenden Gas in Masse und Zu­ sammensetzung identisches Gas enthalten sind die beiden Gaswege hinsichtlich Volumen und Druckverlust identisch gestaltet. Die Probenschleifen bestehen aus 1/16''-Edelstahlrohr. Zwei 6/2-Wegeventile (6) übernehmen die Schaltung der Gasströme. Die beiden Ventile werden gemeinsam umgeschaltet und die Probenschleifen mit dem Detektor (12) und dem Traggass­ trom in Reihe gebracht. Der Traggasstrom (8) wird durch ein 3/2-Wegeventil (7) geschaltet, so daß zunächst der Inhalt der Probenschlaufe 1 dem Detektor zugeführt wird und der Ge­ samtgehalt an Kohlenwasserstoffen ermittelt wird. Wenn der gesamte Inhalt der Proben­ schlaufe dem Detektor zugeführt ist und das Detektorsignal wieder auf den Ausgangswert abgeklungen ist, wird der Traggasstrom umgeschaltet und der Inhalt der Probenschlaufe 2 über die Kondensationsstrecke mit Filter (9) zum Detektor geleitet. Auf dem Filter werden die kondensierbaren Kohlenwasserstoffe (sowie andere kondensierbare Gasbestandteile) abge­ schieden. Der Filter wird dafür auf eine definierte Temperatur gekühlt, bei der Komponenten wie Benzol und Toluol, die bei einer Anwendung des Gases in Kraftmaschinen keine negati­ ven Auswirkungen verursachen den Filter passieren, wohingegen höhersiedende Kohlenwas­ serstoffe ("Teere") abgeschieden werden. Vor dem Detektor wird das zum Erreichen des op­ timalen Detektordurchflusses notwendige Gas zugegeben (10). Die gesamte Anordnung, bis auf die Kondensationsstrecke, ist auf über 300°C beheizt (11). Das Detektorsignal wird ver­ stärkt (13) und über einen Analog/Digitalwandler zum Beispiel mit einem PC (14) aufge­ zeichnet und ausgewertet. Der PC übernimmt auch die Ansteuerung der Ventile, so daß der gesamte Meßvorgang automatisiert abläuft. Ein Meßzyklus nach dieser Anordnung dauert ungefähr zwei Minuten. Je nach Beladung des Gases mit kondensierbaren Kohlenwasserstof­ fen muß der Filter nach einer bestimmten Anzahl von Meßzyklen ausgetauscht werden.

Werden zwei, mit Ventilen schaltbare und beheizbare Filter vorgesehen, so kann durch wech­ selweises Beaufschlagen ein Dauerbetrieb erreicht werden, wobei der jeweils nicht genutzte Filter durch Ausheizen bei hoher Temperatur und Rückspülen mit Traggas regeneriert wird.

In einer nicht dargestellten Ausführung sind zwei Detektoren, ein Detektor für jeden Kanal, vorhanden. Dabei kann das 3/2-Wegeventil im Traggasstrom durch ein 2/2-Wegeventil ersetzt werden. Der Inhalt beider Probenschlaufen wird gleichzeitig dem jeweiligen Detektor zuge­ führt. Diese Anordnung erlaubt kürzere Analysezeiten bei etwas höherem apparativem Auf­ wand.

Claims (5)

1. Bestimmung des Gehalts an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen in kohlenwasserstoff­ haltigen Gasen mit mindestens einem Flammenionisations-Detektor (12), wobei dem der An­ ordnung zugeführten Gas (1) zwei Probengasströme entnommen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Probengasstrom zur Ermittlung des Gesamtgehalts an Kohlenwasserstoffen inklusive der kondensierbaren Bestandteile heiß zum Detektor geleitet wird und der andere über einen geeigneten Filter (9) geleitet wird, um die kondensierbaren Kohlenwasserstoffe abzuscheiden bevor er zum Detektor gelangt.

2. Anordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei definierte Proben­ schlaufen (5) gleichzeitig befüllt werden und anschließend das enthaltene Gas über Schalt­ ventile (6) nacheinander mittels eines Traggasstroms (8) dem Detektor zugeführt werden, und daß die gesamte Anordnung bis auf die Kondensationsstrecke mit Filter auf ausreichend hohe Temperatur beheizt ist (11), um ein Auskondensieren von zu messenden Kohlenwasserstoffen zu verhindern.

3. Anordnungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Probenweg ein Detektor vorhanden ist, wobei beide Probenvolumen gleichzeitig zum jeweiligen Detektor gespült werden können.

4. Anordnungen nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, durch Ventile schaltbare und beheizbare Filter vorhanden sind, wobei die jeweils nicht im Gasstrom befindlichen Filter durch Ausheizen und Rückspülen mit Traggas regeneriert wer­ den.

5. Anordnungen nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsteuerung und die Aufzeichnung und Auswertung des Meßsignals durch eine Steuereinheit erfolgt.