DE202015105412U1 - Device for measuring particulate emissions from furnaces - Google Patents

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Abstract

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.Apparatus for measuring fine particulate emissions from furnaces, comprising a measuring tube (1) with an inlet arranged on the rotation axis of the measuring tube (1) and an outlet arranged opposite thereto for flowing through the measuring tube (1) with a combustion gas sample (8), wherein in the measuring tube (1) on the axis of rotation of a microphone (4) is arranged, which is connected to an acoustic evaluation (5) and wherein in the measuring tube (1) offset from the microphone (4) an entry point for the laser beam (32) of a modulatable laser emitter ( 3) and one of these diametrically opposite exit point for the laser beam (32) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Feinstaubemissionen aus Feuerungen nach dem Schutzanspruch 1. The invention relates to a device for measuring the particulate emissions from furnaces according to the protection claim. 1

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. Burning solid fuels in small combustion plants releases a significant amount of particulate matter. Particulate matter is part of the suspended dust and focuses on the respirable fraction of emissions. Since fine particles are only partially retained by the mucous membranes in the nasopharyngeal area or the nasal area of the nasal area, these particles of particulate matter are associated with a health-endangering burden on the respiratory tract. In order to avoid damage to health, the legislator has therefore set limit values for fine particulate emissions. To measure the particulate matter emissions from furnaces to check compliance with the specified limit values, particle separators are used regularly. In the process, fine dusts are collected in a filter element and the fine dust levels collected over a defined period are subsequently weighed out. The balanced amount of particles, together with the volumetric flow volume, form the particle mass concentration. In modern gravimetric processes, the mass of the deposited fine dust is determined oscillatory. Here, the dust is deposited on a vibrating disk whose vibration frequency is inversely proportional to the total mass of the disc and fine dust.

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. The problem with the known method is that, depending on the fuels used, the composition of the filtered-out soot particles are greatly different, resulting in significant weight deviations. In addition, the previously known method designed as expensive.

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 Schutzanspruchs 1 gelöst. The invention aims to remedy this situation. The invention is based on the object to provide a device for measuring the particulate matter emissions from furnaces, which allows an effort minimized and at the same time more accurate measurement of particulate matter concentrations in small combustion plants. According to the invention, this object is achieved by a device having the features of patent claim 1.

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. The invention provides a device for measuring the emission of particulate matter from furnaces, which enables an effort-minimized and at the same time more accurate measurement of particulate matter concentrations, in particular in small firing installations. By guided through the entry point laser beam of a modulated laser emitter heating of the soot particles of the fire gas sample is achieved by absorption. In the radiation breaks, heat is released from the particles to the environment. As a result, a periodic heating and cooling of the irradiated with the intermittent laser beam flow volume is achieved, which in turn causes pressure fluctuations of the same period, which propagate as sound waves. These sound waves can be detected with the microphone arranged on the rotation axis, from where they are directed to the acoustic evaluation unit for the determination of the fine dust emission. The device according to the invention makes it possible for the first time to measure a particulate matter from the exhaust gas stream of a firing plant with the aid of a photoacoustic measuring method.

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 a further development of the invention, the entry and exit points for the laser beam are formed by embedded in the measuring tube glass sheets, wherein spaced from these glass sheets inlets are arranged for scavenging air. The glass sheets allow a good passage of laser beams emitted by the laser emitter. The arranged scavenging air inlets causes an overflow of the glass panes, whereby contamination of the glass panes by adhering soot particles of the combustion gas sample is counteracted.

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 an embodiment of the invention, the measuring tube is connected at its outlet with a pump for sucking a Feuerungsgasprobe. This allows a targeted, uniform flow through the measuring tube with a constant Feuerungsabgasstrom.

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. In a further embodiment of the invention, the acoustic evaluation unit has a storage unit for depositing particulate matter to soot particle ratio values of different fuels from which a respective required record is selectable, wherein the evaluation unit is set up such that based on the transmitted from the microphone acoustic values and a to be selected fuel associated ratio values, a calculation of the particulate matter emission amount takes place. This takes into account the fact that the combustion exhaust gas has a different ratio of soot to particulate matter depending on the fuel used, whereby different particulate matter contents can occur with the same measured value recorded by the microphone. By assigning a respective data set with particulate matter to soot particle ratio values assigned to different fuels, the accuracy of the calculated particulate matter emission values is increased.

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. Other developments and refinement of the invention are specified in the remaining subclaims. An embodiment of the invention is illustrated in the drawings will be described in detail below. The only 1 shows a schematic representation of an apparatus for measuring fine particulate emissions from furnaces.

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. The device selected as an exemplary embodiment for measuring fine dust emissions from furnaces comprises a hollow-cylindrical measuring tube 1 to flow through with a Feuergasgasprobe, with two diametrically opposed glass windows 2 is provided. At one of the two windows 2 is a modulatable laser emitter 3 arranged to act on a combustion gas sample with a modulated laser beam. The laser emitter 3 opposite is behind the second pane of glass 2 continue a laser trap 31 positioned. The laser trap 31 serves to prevent uncontrolled leakage of a laser beam. Offset to the laser emitter 3 is in the measuring tube 1 on the axis of rotation a microphone 4 arranged with an acoustic evaluation unit 5 connected is. The acoustic evaluation unit 5 is in turn with a storage unit 6 connected. On the output side is on the measuring tube 1 a pump 7 arranged for continuous suction of a defined Feuerungsgasstroms. To avoid build-up of soot particles on the two diametrically opposed glass windows 2 This is preceded by a purge air inlet 21 positioned. The scavenging air inlets are aligned so that they the glass windows 2 apply a thin purge air curtain.

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. The measuring tube is used to measure the fine dust emission of a furnace 1 positioned in the exhaust flow of the furnace and by means of the pump 7 becomes a combustion gas sample 8th as a uniform volume flow through the measuring tube 1 causes. The in the combustion gas sample 8th located soot particles 81 be by means of temporally intermittent laser beams 32 of the laser grinder 3 passing through the glass windows 2 of the measuring tube 1 be sent, heated, passing the laser beams 22 over a laser trap 31 be sealed off to the outside. The soot particles warmed up by absorption of the laser radiation 31 During the radiation breaks, heat is released to the environment, resulting in periodic heating and cooling of the laser-irradiated volume, which in turn causes pressure fluctuations of the same period, which propagate in the form of sound waves. These sound waves are through the microphone 4 detected and to the acoustic evaluation unit 5 forwarded. Through the acoustic unit 5 now calculates from the acoustic signals of the microphone 4 the fine dust quantity of the combustion gas sample. For this purpose, after entering the fuel used by the combustion system from the storage unit 6 a share factor assigned to the fuel is selected which represents the ratio of soot to particulate matter of the considered fuel previously determined within measurement studies.

Claims (4)

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. Device for measuring particulate emissions from furnaces, comprising a measuring tube ( 1 ) with one on the axis of rotation of the measuring tube ( 1 ) arranged inlet and an outlet arranged opposite this to the flow through the measuring tube ( 1 ) with a combustion gas sample ( 8th ), wherein in the measuring tube ( 1 ) on its axis of rotation a microphone ( 4 ) arranged with an acoustic evaluation unit ( 5 ) and wherein in the measuring tube ( 1 ) moves to the microphone ( 4 ) an entry point for the laser beam ( 32 ) of a modulatable laser emitter ( 3 ) and one of these diametrically opposite exit point for the laser beam ( 32 ) is arranged. 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. Apparatus according to claim 1, characterized in that the entry and exit points for the laser beam ( 32 ) through the measuring tube ( 1 ) embedded glass windows ( 2 ) are formed, wherein spaced from these glass windows ( 2 ) Inlets ( 21 ) are arranged for scavenging air. 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. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring tube ( 1 ) at its outlet with a pump ( 7 ) for sucking in a combustion gas sample ( 8th ) connected is. 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 Device according to one of the preceding claims, characterized in that the acoustic evaluation unit ( 5 ) a storage unit ( 6 ) for depositing particulate matter to soot particle ratio values of different fuels from which a respectively required data set can be selected, wherein the evaluation unit ( 5 ) is arranged such that on the basis of the microphone ( 4 ) Acoustic values and assigned to a fuel to be selected ratios a calculation of the fine dust emission amount takes place
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