DE19939636A1

DE19939636A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Probenahme von Rohgasen

Info

Publication number: DE19939636A1
Application number: DE1999139636
Authority: DE
Inventors: Frank Burkhardt; Reinhardt Exner; Wolfgang Rabe
Original assignee: Energiewerke Schwarze Pumpe AG
Current assignee: Sustec Schwarze Pumpe GmbH
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: DE19939636B4

Abstract

Mit dem Verfahren zur kontinuierlichen Probenahme von Rohgasen ist es möglich, aus einem unter Druck und hoher Temperatur stehenden, mit Staub, Teer und Ölen stark verunreinigten Rohgas ein reines und kaltes Meßgas zu erzeugen, das kontinuierlich Geräten zur Meßwerterfassung für die Steuerung und Überwachung von gasführenden Anlagen zugeführt wird. Die Lösung dieser Zielstellung erfolgt, in dem das verunreinigte Rohgas in einer mehrstufigen Gasprobenaufbereitung befeuchtet, gewaschen, gefiltert und gekühlt wird, nach einer Feinfilterung mit Kondensatabscheidung entspannt wird und der vorgekühlte Rohgasstrom vor seiner Aufteilung in einen Meßgasstrom und einen Bypassstrom intensiv gekühlt wird und der Meßgasstrom vor Eingang in ein nachgeschaltetes Meßgerät auf einen Taupunkt von -40 DEG C getrocknet wird. Das Verfahren ist zur Rohgasprobenahme von Rohgasen aus Vergasungsprozessen mit geringen bis hohen Drücken und Temperaturen geeignet und kann ebenfalls in Verbrennungsanlagen, in Chemieanlagen und an Erdgasanlagen angewendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die kontinuierlichen Probenahme und Probenaufbe reitung von Rohgasen, die in einem kontinuierlichem Prozeß hergestellt werden, wobei das Druck- und Temperaturniveau der zu messenden Gase unterschiedlich sein kann.

In der Gaserzeugung, z. B. bei der Sauerstoffdruckvergasung, entstehen unter Hochdruck stehende, heiße, kohlenwasserstoff- und staubhaltige, wasserdampfge sättigte Rohgase. Derartige Gase können den für ein optimales Betriebsregime not wendigen Gasanalysengeräten sowie den diesen vorgeschalteten Präzisionsdruck minderventilen nicht unmittelbar zugeführt werden, sondern müssen für solche Ana lysenzwecke gesondert aufbereitet werden.

Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Rohgas aus dem Gasstrom über einen Umgang abzuführen, über ein Ventil dessen Entspannung vorzunehmen und den Gasdruck über eine Tauchung zu regeln.

Die Durchführung dieses Verfahrens gewährleistet keine ausreichende Reinigung des Meßgases. Sie birgt dagegen Gefahren in sicherheitstechnischer Hinsicht in sich und widerspricht den sicherheitstechnischen Vorschriften, da durch die im Roh gas enthaltenen Teere und Stäube ein unkontrollierter Druckaufbau im Probenah mesystem auftreten kann. Auch eine nachträgliche Reinigung des Meßgases mittels Keramikfiltern oder anderen Filtermaterialien ergibt in diesem Fall keinen ausrei chenden Reinheitsgrad zur Gewährleistung eines konstanten störungsfreien und wartungsarmen Betriebes der Analysengeräte.

Ein solcher angestrebter störungsfreier Betrieb konnte auch durch den Einsatz von Filtern auf der Hochdruckseite nicht realisiert werden. Unabhängig davon, ob diese Filter aus keramischen, faserigen oder porösen organischen Materialien bestehen, kommt es bereits nach relativ kurzen Betriebszeiten zu Verstopfungen und damit zu Ausfällen in der Meßwertanzeige. Zur Beseitigung dieser Verstopfungen ist eine Reinigung oder ein Austausch der Filter erforderlich, womit hohe Arbeitszeitaufwen dungen verbunden sind.

Die Verwendung von Elektrofiltern, insbesondere zur Abscheidung von Flüssigkeits nebeln, z. B. Teeren und Feststoffen, verbietet sich bei der Möglichkeit des Auftre tens explosiver Gasgemische, die bei der Sauerstoffdruckvergasung von festen Brennstoffen nicht auszuschließen sind. Der für diesen Fall notwendige Einbau von Sicherheitseinrichtungen, wie Flammenrückschlagventilen und dergleichen ist mit einem unvertretbar hohen materiellen Aufwand verbunden.

Bei dieser Verfahrenslösung ist darüber hinaus eine Vollständigkeit der Abschei dung der Verunreinigungen nicht gewährleistet. Der Austrag der abgeschiedenen, in mehreren Phasen (flüssig, pastös und fest) vorliegenden Produkte führt zu weiteren Schwierigkeiten und Aufwendungen.

Es ist weiter bereits vorgeschlagen worden, die Abscheidungen der -flüssigen und festen Verunreinigungen mit Hilfe von Zentrifugalabscheidern vorzunehmen. Dieser Verfahrensvorschlag hat den Nachteil, daß unter den vorliegenden Bedingungen an den Eingangsdüsen und Zyklonwandungen Ausstrahlungen auftreten. Angesichts des hohen Gasdruckes sind dann aus sicherheits technischen Gründen nach relativ kurzen Zeiträumen periodische Wanddickenmessungen vorzunehmen. Außerdem ist auch in diesem Fall die Ableitung der abgeschiedenen Produkte mit Schwierigkei ten verbunden,

In der DD-PS 94 909 wurde ein Verfahren zur kontinuierlichen Entnahme von Pro ben eines verunreinigten Gases von hohen Temperaturen, besonders eines Rohga ses aus einem Braunkohlen-Druckgasgenerator sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung. Bei dieser Verfahrenslösung kommt es jedoch durch das Fehlen von Voraussetzungen für eine erneute Aufheizung der abgeschiedenen Produkte vor dem Abfördern aus dem Probenahmesystem, durch die Verwendung waagerechter Leitungsabschriitte und das Fehlen anisokinetischer Abführungen zu Verstopfungen und zum Ausfall der Einrichtung.

In der DD-PS 110 345 sind ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Entnahme von mit Staub und Kondensat beladenen unter Druck stehendem Gas, insbesondere von Rohgas für Analysenmessungen dargestellt, bei denen in einem abgezweigten Teil strom ein Gasfluß mittels einer in der Hauptleitung angeordneten Blende erzeugt wird. Diese Blende bietet jedoch insbesondere bei der Förderung von Gasen, die mit großen Anteilen von Staub und Teer belastet sind, eine akute Gefahr hinsichtlich der Ablagerung dieser Produkte in der Hauptleitung. Umfangreiche Betriebsuntersu chungen zeigten, daß nur eine einmalige Abführung des Probegases entgegen der Strömungsrichtung, insbesondere beim Fehlen eines Zwangsumlaufes im Probe kreislauf, sehr schnell zur Verstopfung des Probenahmesystems und immer zur Ver schmutzung des Meßgassystems führt.

Innerhalb des technischen Suchfeldes zum betrachteten Fachgebiet ist es bereits bekannt, daß es mit Hilfe einer Pumpe, z. B. Dampfstrahlpumpe, Injektor, möglich ist, einen Teilgasstrom in den Hauptgasstrom zurückzuführen. Die Schaltung der Pumpe an das Ende des Probenahmesystems gewährleistet, daß die Gaszusammenset zung innerhalb des Systems nicht verändert wird. Es ist weiterhin bekannt, daß es möglich ist, die im Rohgaskreislauf abgeschiedenen Produkte mit Hilfe einer solchen Pumpe kontinuierlich in das Gaserzeugungssystem wieder zurückzuführen.

In der DD-PS 148 172 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Abführung von einem Teilstrom eines Rohgases zum Einsatz als Meßgas aufgezeigt bei dem aus einer Rohgashauptleitung sowie einem aufzubauenden Rohgasprobekreislauf ein Meßgas doppelt anisokinetisch abgeführt, hochdruckseitig gefiltert, entspannt, geschützt vor evt. Kondensaten sowie niederdruckseitig gefiltert, einer Meßgeräteanordnung zuge führt wird.

Dieses Verfahren ist aufgrund seiner hohen Betriebskosten für die Aufrechterhaltung des Rohgasprobekreislauf mittels Dampfinjektor und den damit verbundenen Nach teilen sowie der erheblichen Wartungskosten von Nachteil.

Ziel der Erfindung ist es, ein einfaches wirtschaftliches Verfahren zu schaffen, mit dem ausgehend von einem sehr stark verunreinigen Rohgas auch bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur und unter Ausschaltung sicherheitstechnischer Risi ken den eingesetzten Analysengeräten kontinuierlich und praktisch ohne Bedie nungs- und Wartungsaufwand, mit minimaler Totzeit ein sauberes Meßgas bereit gestellt werden kann und dessen Grundzusammensetzung durch das Verfahren der Probenahme nicht verändert wrd.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend ausführlich dargelegten Nachteile und Mängel bekannter Verfahren und Vorrichtungen zur Rohgasprobe nahme umfassend zu beseitigen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß zur kontinuierlichen Probenahme von Rohgasen, bei Rohgastemperaturen bis 250°C, und Drücken bis 40 bar, dem Rohgas nach der Entnahme einer Rohgasprobemenge von 0,1-2 m³i. N./h aus dem Rohgassystem unter Druck, ein Waschmedium, wie z. B. Dampf oder Wasser im entsprechenden Druckniveau, mit einer Temperatur von 20-250°C in einer Menge von 0,5-5,0 kg/h zugesetzt wird und daß das befeuchtete verunreinig te Rohgas in einer primären Gasprobenaufbereitung in einer thermostatisierten 1. Kühl- und Waschstufe auf 50-70°C und in einer 2. Kühlstufe auf 15-25°C indirekt gekühlt wird, wobei die 1. und 2. Kühl- und Waschstufe jeweils mit Füllmaterial, vor zugsweise aus Edelstahlmaterial, ausgefüllt sind, wobei bei der Durchführung des Verfahrens die Rohgasprobenahme derartig vertikal oberhalb des Rohgassystems angeordnet ist, daß die entstehenden Kondensate mittels Schwerkraft in das Roh gassystem zurück fließen können und dadurch ein zusätzlicher Wascheffekt für die entnommene Rohgasprobemenge bewirkt wird. Das vorgekühlte Rohgas wird an schließend durch ein feinporiges Filter mit einer Maschenweite von 1-10 µm gelei tet und bei bisher erhöhtem Druckniveau nachfolgend über einen bekannten lei stungsbegrenzten Druckregler auf 2-4 bar entspannt. Im Rahmen der vorgeschla genen Lösung wird das entspannte bzw sich auf ≦ 4 bar im Druckniveau befindliche Rohgas zum kondensatfreien Weitertransport in einer sekundären Gasprobenaufbe reitung auf 60-80°C aufgeheizt. Das aufgeheizte Rohgas wird nachfolgend in einer sekundären Gasprobenaufbereitung in einer oder mehreren Kühlstufen auf 0-6°C gekühlt und danach in einen Meßgasstrom von 0,020-0,100 m³/h und einen Bypaßstrom von 0,080-1,9 m³/h aufgeteilt und der Meßgasstrom anschließend vor Eingang in ein nachgeschaltetes Meßgerät oder Meßsystem auf einen Taupunkt von -25 bis -50°C getrocknet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Ge samttotzeit für die Rohgasprobenahme von 0,5-3,5 min eingestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung konnte überraschend mit einer geringen Roh gasprobemenge ohne wesentliche Zusatzmedienmengen eine sehr wirtschaftliche, schnelle, sichere und wartungsarme Rohgasprobenahme geschaffen werden.

Die technische Ausführung und Wirkungsweise des Verfahrens ist gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Probenahme von Rohgasen gekennzeichnet durch

- minimalen Bedienungs- und Wartungsaufwand
- geringen Verbrauch von Hilfsmedien
- einer sehr hohen Verfügbarkeit < 99%
- sehr kleine erreichbare T50- bzw. T90-Zeiten bei geringem Probengasanfall
- eine Reihe von implementierten Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz nachfolgen der teurer Meßanordnungen bei einem prozeßbedingten Störfall.

Im folgenden soll die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen das Prinzip des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Aus einer Hauptleitung 1 gelangt das strömende zu untersuchende Rohgas mit den Parametern:
Gasdruck: 26 bar
Gastemperatur: 160-bis 200°C
Wasserdampfgehalt: gesättigt unter den vorstehenden Bedingungen
Feststoffgehalt: 1-5 g/Nm³
ölig-teerige Anteile: 120 g/Nm³
auf Grund des Druckgefälles in der Entnahmesonde (siehe Fig. 1) unter Zugabe des Waschmediums Wasserdampf (ca. 0,5 kg/h, 240°C) in die 1. thermostatisierte Kühl- und Waschstufe 2. Das Waschmedium bewirkt eine zusätzliche Befeuchtung und Aufheizung des Probengases, um Ablagerungen fester und teeriger Produkte im untersten Teil der Sonde zu vermeiden.

Durch die Thermostatisierung der 1. Kühl- und Waschstufe 2 auf eine niedrigere Temperatur (ca. 50°C) als die Rohgastemperatur nach der Waschmedienzugabe findet in selbiger eine Kühlung des zusätzlich befeuchteten Rohgases und somit auch eine Kondensation des im Rohgas enthaltenen Dampfes und schwerer Be standteile des Rohgases (Teere, Schweröle) statt. Die Kondensate benetzen das Füllmaterial der 1. Kühl- und Waschstufe, so daß ein Wascheffekt für das nach strömende Rohgas entsteht. Überschüssiges Kondensat gelangt, angetrieben durch die eigene Schwerkraft, wieder in den Prozeß zurück. Dieser Wascheffekt bewirkt die sichere Elimination von im Rohgas enthaltenen Verunreinigungen.

An die 1. Kühl- und Waschstufe (2) schließt sich die 2. Kühlstufe 3 an. Sie kühlt das Rohgas/Probengas auf ca. 20°C und führt damit eine zusätzliche Kondensation der mittleren und leichten Öle herbei. Die abfließenden Kondensate bewirken eine Rei nigung des Füllmaterials der darunterliegenden 1. Stufe und unterstützen zugleich den Wascheffekt in selbiger.

Das Probengas wird nun nach dem Sondenausgang über ein feinporiges Filter 4 geleitet, um eventuell mitgerissenen Kondensatnebel und feinste Feststoffpartikel abzuscheiden. Danach erfolgt mittels eines leistungsbegrenzten Druckreglers 5 eine Entspannung des Probengases auf 2,5 bar. Das entspannte Gas gelangt anschlie ßend über eine beheizte Leitung 6 (ca. 70°C), die weitere Kondensationserschei nungen verhindern soll, zur weiteren Probenaufbereitung. Ein Sicherheitsventil 7 sorgt bei Ausfall des Druckreglers für eine Ableitung des Probengases und über nimmt damit den Schutz nachfolgender Systemeinheiten vor Überdrücken.

In der sekundären Probenaufbereitung (Fig. 2) erfährt der Probengasstrom mittels eines Kühlers 8 eine Abkühlung auf ca. 4-6°C. Mit dieser Kühlung soll eine weitere Trocknung des Probengasstromes durch zusätzliche Kondensation von im Proben gas noch enthaltenen Wasserdampf und leichten Ölen bewirkt werden. Am Kühler teilt sich der Probengasstrom in einen Bypaß-Gasstrom 9, praktisch eingestellt auf 350 l/h, zur Minimierung der Systemtotzeit und den eigentlichen Meßgasstrom 10, praktisch eingestellt auf 60 l/h. Der Meßgasstrom 10 erfährt nochmals eine Trock nung/Kühlung im Kühler 8. Die abgeschiedenen Kondensate werden mittels Kon densatfallen 11 abgeleitet. Die letzte Trockung des Meßgases findet nach dem Filter 12 in einem Gegenstrom-Trocknersystem 13 statt. Danach gelangt das Meßgas über einen weiteren Filter 14 und eine Flammensperre 15 mit nachfolgenden Parametern:
Gasdruck: 0,05 bar(rel)
Gastemperatur: 4 bis 6°C
Wasserdampfgehalt: untersättigt, Taupunkt: ca. -40°C
Feststoffgehalt und
ölig-teerige Anteile: keine nachweisbare Spuren im Kontroll-Filter 12
in den Analysator 16, in dem die Bestimmung stattfindet. Mit dieser Konfiguration und diesen Parametern ergibt sich aus dem inertisierten Zustand eine T50-Zeit von ca. 90 Sekunden und eine T90-Zeit von ca. 110 Sekunden.

In der sekundären Probenaufbereitung (Bild 2) erfährt der Probengasstrom mittels eines leistungsfähigen Kühlers eine Abkühlung auf 5°C. Damit soll eine weitere Trocknung (Kühlung) des Gasstromes durch zusätzliche Kondensation von im Pro bengas noch enthaltenen Wasserdampfes und leichten Ölen bewirkt werden. Im Kühler wird der Probengasstrom in einen Bypaß-Gasstrom von 1200 l/h, zur Mini mierung der Systemtotzeit und den eigentlichen Meßgasstrom von 50 l/h aufgeteilt. Der Meßgasstrom erfährt nochmals eine Trocknung/Kühlung auf einen Taupunkt von -20°C. Die abgeschiedenen Kondensate werden mittels bekannter Kondensatfallen abgeleitet. Die letzte Trockung des Meßgases (Wasserdampfrestanteile) findet in einem speziellen Trocknersystem im Gegenstromprinzip statt. Danach gelangt das Meßgas in den Analysator, in dem die Bestimmung der Gaskomponenten stattfindet.

Bezugszeichenverzeichnis

1

Rohgasleitung

2

1

. Kühl- und Waschstufe

3

2

. Kühlstufe

4

Filter

5

Druckregler

6

beheizte-Gasstrom

7

Sicherheitsventil

8

Kühler

9

Bypaß-Gasstrom

10

Meßgasstrom

11

Kondensatfallen

12

Filter

13

Gegenstrom-Trocknersystem

14

Filter

15

Flammensperre

16

Analysator

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Probenahme und Probenaufbereitung von Rohgasen bei Rohgastemperaturen bis 250°C, und Drücken bis 40 bar, gekennzeichnet da durch, daß

- das Rohgas nach seiner Entnahme unter Druck aus dem Rohgassystem in eine senkrechte zur Rohgasleitung (1) angeordnete Entnahmesonde geleitet wird, in welcher dem Rohgas nach der Entnahme aus dem Rohgassystem unter Druck, ein Waschmedium, wie z. B. Dampf oder Wasser im entsprechenden Druckniveau, mit einer Temperatur von 20-250°C in einer Menge von 0,5-5,0 kg/h zugesetzt wird,
- das befeuchtete verunreinigte Rohgas in einer primären Gasprobenaufbereitung in einer thermostatisierten 1. Kühl- und Waschstufe (2) auf 50-70°C und in einer 2. Kühlstufe (3) auf 15-25°C indirekt gekühlt wird, wobei die 1. und 2. Kühl- und Waschstufe jeweils mit Füllmaterial vorzugsweise aus Edelstahlmaterial ausgefüllt sind,
- das vorgekühlte Rohgas ein feinporiges Filter (4) mit einer Maschenweite von 1- 10 µm durchströmt,
- das gefilterte Rohgas bei Bedarf über einen bekannten leistungsbegrenzten Druckregler (5) auf 2-4 bar entspannt wird,
- das entspannte Rohgas zum kondensatfreien Transport auf 60-80°C wieder aufgeheizt wird,
- das aufgeheizte Rohgas in einer sekundären Gasprobenaufbereitung in einer oder mehreren Kühlstufen auf 4-6°C gekühlt wird,
- der gekühlte Rohgasstrom in einen Meßgasstrom von 0,020-0,100 m³/h und ei nen Bypaßstrom (9) von 0,150-1,9 m³/h aufgeteilt wird und der Meßgasstrom (10) vor Eingang in ein nachgeschaltetes Meßgerät auf einen Taupunkt von -25 bis -50°C getrocknet wird,
- mit einer Rohgasprobemenge von 0,17-2,0 m³i. N./h eine Gesamttotzeit für die Rohgasprobenahme von 0,5 bis 3,5 min eingestellt werden kann.