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Die Erfindung betrifft eine Messgassonde und ein Messsystem für die Messung von gasförmigen Rauchgasbestandteilen in einer heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre.
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Die Betreiber von Feuerungsanlagen von Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen, Glasschmelzen oder Zementdrehöfen und anderen sind nicht zuletzt aus Umweltgründen gehalten, eine einwandfreie Verbrennung möglichst mit Hilfe einer Regelung der Feuerung zu gewährleisten. Um die vorgeschriebenen Umweltdaten einhalten zu können, ist ständig unter anderem die Sauerstoffkonzentration im Rauchgas zu überwachen. Es ist deshalb eine kontinuierliche Rauchgasanalyse (Prozessgasanalyse), zum Beispiel für die Zementindustrie im Bereich der Ofeneinlaufkammer ein etablierter Stand der Technik.
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Besonders schwierig hierbei sind die Rahmenbedingungen der Prozessgasentnahme. Aufgrund der hohen Staubbeladung sowie der Stoffeigenschaften sind regelmäßige Reinigungen von Filtertechnik und Entnahmeleitung notwendig. Grundsätzlich ist bei allen Systemen während der Rückreinigung vom Filter oder auch der Entnahmeleitung keine Probenentnahme zur Analyse hin möglich. Das System ist schlicht nicht verfügbar.
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Eine In-Situ-Meßanordnung zur Bestimmung der gasförmigen Rauchgasbestandteilen ist beispielsweise aus der
EP 1371976 A1 bekannt, bei der mittels einer wassergekühlten Gasentnahmesonde In-Situ-Messungen möglich sind.
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Dennoch herrscht, wie beschrieben, in den genannten Feuerungsanlagen, zum Beispiel Zementdrehöfen, eine sehr hohe Staubbeladung vor, so dass an den bisher bekannten Sonden die Gefahr des Anbackens von Staub im Innern des Sondenkörpers besteht. Um diese Sonden wieder von Anbackungen freizubekommen, sind erhebliche Demontage- und Montagearbeiten sowie Wartungsarbeiten nötig oder, wie in
EP 1371976 A1 , aufwändige Mechaniken an den Gasentnahmerohren vorgesehen, um an den diversen Rohren durch Bewegungen etwaige Anbackungen abzustreifen oder abzuschütteln. Diese Arbeiten haben einen längeren Ausfall der Messung zur Folge.
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Deshalb ist aus der
EP 3608667 A1 eine Messgassonde bekannt, die zwei Sondenkörper aufweist, die jeweils mittels einer Mechanik entlang einer Führung zurückziehbar sind, so dass jede der beiden Sondenkörper in eine Messposition ausfahrbar und aus dieser Messposition in eine Spülposition zurückziehbar ist. Auf diese Weise kann zwar im Prinzip kontinuierlich gemessen werden, denn wenn einer der Sondenkörper zum Spülen zurückgezogen ist, kann der andere Sondenkörper noch Messgas entnehmen und umgekehrt. Diese Vorrichtung hat aber den großen Nachteil, dass eine Mechanik zum Zurückziehen der Sondenkörper sehr aufwändig ist und auch das Zurückziehen und wieder Ausfahren einen hohen Regelungsaufwand erfordert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine in einer heißen, staubbeladenen Gasatmosphäre einzusetzende Messgassonde und ein Messsystem zu schaffen, das weitgehend wartungsfrei kontinuierlich arbeiten kann und dabei aber einfach aufgebaut sein soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Messgassonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 mit einer solchen Messgassonde. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Messgassonde für die Messung von gasförmigen Rauchgasbestandteilen in einer heißen, staubhaltigen Gasatmosphäre umfasst
- - einen Flansch zur Anordnung der Messgassonde an eine das zu messende Gas enthaltenden Ofeneinlaufkammer,
- - einen rohrförmigen, kühlmittelgekühlten Sondenkörper, der eine Rohraußenwand, einen eine Stirnseite abschließenden Boden und einen die andere Stirnseite abschließenden Deckel aufweist,
- - mit Kühlmittelvorlauf und Kühlmittelrücklauf, so dass Kühlmittel im Inneren des Sondenkörpers strömen kann,
- - ein erstes Probeentnahmerohr, das im Inneren des Sondenkörpers parallel zur Längsachse des Sondenkörpers verläuft und den Deckel durchsetzt, wobei ein vom Deckel entferntes Ende des Probeentnahmerohrs seitlich abgeknickt ist, so dass das Ende als erste Probeentnahmeöffnung zur Gasentnahme seitlich aus der Rohraußenwand ausgebildet ist,
- - ein zweites Probeentnahmerohr, das im Wesentlichen parallel zum ersten Probeentnahmerohr verläuft und baugleich wie das erste Probeentnahmerohr aufgebaut ist und eine zweite Probeentnahmeöffnung aufweist,
- - wobei die beiden Probeentnahmerohre vom Kühlmittel gekühlt, insbesondere vom Kühlmittel umströmt, sind,
- - und die Probeentnahmerohre den Deckel durchsetzen zur Verbindung mit einer Messvorrichtung zur Messung der Rauchgasbestandteile.
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In einer solchen Ausgestaltung ermöglicht die Messgassonde einen kontinuierlichen Betrieb eines mit dieser Messgassonde ausgerüsteten Messsystems, denn während die Gasprobe durch eines der beiden Probeentnahmerohre entnommen wird, kann das andere Probeentnahmerohr gereinigt werden. Damit kann das Messsystem in sehr staubhaltigen Gasatmosphären, beispielsweise bei der Zementherstellung, eingesetzt werden. Durch die ebenfalls vorgesehene Kühlung der beiden Probeentnahmerohre ist der Einsatz in heißen Umgebungen problemlos. Trotz der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ist die Messgassonde einfach aufgebaut und entsprechend kostengünstig herstellbar.
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In Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der Kühlmittelvorlauf über ein Kühlmittelvorlaufrohr bis in den Bodenbereich, und das Kühlmittel tritt erst dort aus. Dadurch durchströmt das Kühlmittel vom Boden her den Sondenkörper in Richtung Deckel und hat dadurch eine günstige Kühlwirkung. Denn das zugeführte, noch kalte Kühlmittel wird durch den Kühlmittelvorlauf bis an die heißeste Stelle der Messgassonde, nämlich an deren Spitze, geführt.
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Damit die beiden Probenentnahmeöffnungen einen Abstand zueinander aufweisen und eine Probenentnahme durch eine der beiden Probenentnahmerohre nicht gestört wird von dem Spülvorgang des anderen Probeentnahmerohres, sind die Probeentnahmeöffnungen auf dem Rohraußenwandumfang angeordnet, wobei das zu entnehmende Gas radial abgesaugt wird und Spülluft des einen Probeentnahmerohres nicht in das andere Probeentnahmerohr gelangt.
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Um die wechselseitige Nutzung der Probeentnahmerohre zu bewerkstelligen, sind in Weiterbildung der Erfindung die beiden Probeentnahmerohre über Gasleitungen mit der Messvorrichtung verbunden und Gasabsperrventile vorgesehen zur wahlweisen Verbindung eines der Probeentnahmerohre mit der Messvorrichtung. Vorteilhafterweise sind die Gasabsperrventile extern steuerbar, so dass eine Umschaltung von einem Probeentnahmerohre auf das andere automatisch gesteuert erfolgen kann.
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Um das Messsystem vor Verschmutzungen zu schützen, ist zwischen jeder der Probeentnahmerohre und der Messvorrichtung je ein Partikelfilter vorgesehen.
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Im Laufe der Zeit werden diese Partikelfilter sich mit gefilterten Partikeln zusetzen, so dass vorteilhafter Weise Filterrückspülvorrichtungen zur Reinigung der Partikelfilter vorgesehen sind.
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Zur Reinigung der Probeentnahmerohre sind vorteilhafterweise Rohrrückspülvorrichtungen vorgesehen, die unter anderem Spülventile aufweisen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messgassonde im Schnitt entlang einer Linie I-I aus der 2;
- 2 eine Schnittansicht der Messgassonde entlang der Linie II-II aus der 1;
- 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messsystems mit Messgassonde und Messvorrichtung, die über Gasleitungen verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Messgassonde 10 (1) und das erfindungsgemäße Messsystem 100 (3) sind für die Bestimmung von gasförmigen Bestandteilen im Rauchgas, insbesondere des Gehaltes an Sauerstoff, Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOx), Chlorwasserstoff (HCl) und weiteren bestimmt und werden an Feuerungen mit einer sehr staubhaltigen und heißen Gasatmosphäre von bis zu 1400° C eingesetzt. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist der Einsatz an Zementdrehrohröfen. Die Prozessgase werden analysiert, indem eine Gasprobenentnahmesonde verwendet wird, die typischerweise so positioniert ist, dass Gasproben aus dem Ofeneinlass entnommen werden und die Gaszusammensetzung analysiert wird. Der O2-Gehalt und auch der CO-Gehalt werden analysiert, um die Stöchiometrie im Ofen zu optimieren. Der Sauerstoffgehalt im Ofen wird auch analysiert, um die Explosionsgefahr zu kontrollieren und eine toxische Ansammlung von Kohlenmonoxid zu verhindern. Die Messung des Sauerstoffgehalts ermöglicht auch die Steuerung der Luftzufuhr, um die Verbrennung auf das gewünschte Niveau zu bringen. Durch die Analyse der Prozessgase kann der Verbrennungsprozess mit dem Ziel der Emissionsminimierung gesteuert werden. Darüber hinaus kann die Qualität der gebrannten Produkte auf Basis einer Prozessgasanalyse kontrolliert werden. Schließlich können der Gehalt und die Art der flüchtigen Stoffe identifiziert werden, um das Auftreten von Materialaufbau zu verhindern und um Korrosionsprobleme zu reduzieren.
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Das erfindungsgemäße Messsystem 100 umfasst eine erfindungsgemäße Messgassonde 10, die über Gasleitungen mit einer Messvorrichtung 120 verbunden ist. In der Messvorrichtung 120 sind entsprechende Sensoren 121 oder Spektrometer zur Bestimmung der gasförmigen Rauchgasbestandteile enthalten. Die Messvorrichtung 120 ist mit einer nicht dargestellten Steuerung für den gesamten Feuerungsprozess und/oder mit einem Display oder dergleichen verbunden.
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Die Messgassonde 10 weist eine an den Messort angepasste Baulänge zwischen typischerweise 2 m bis 4,5 m auf. Sie besteht aus einem rohrförmigen, kühlmittelgekühlten Sondenkörper 12, der eine Rohraußenwand 14, einen eine Stirnseite 16 abschließenden Boden 18 und einen die andere Stirnseite 20 abschließenden Deckel 22 aufweist. Der Deckel 22 ist mit einem Flansch 24 verbunden, mit dem die Messgassonde an einer das zu messende Gas enthaltenden Ofeneinlaufkammer 26 montiert werden kann, die in 1 nur durch Teilstücke einer Ofenwand dargestellt ist. Deckel 22 und Flansch 24 könnten auch ein integrales Bauteil sein. Alle Bauteile bestehen bevorzugt aus Edelstahl.
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Weiter weist die Messgassonde 10 ein erstes Probeentnahmerohr 30 auf, das im Inneren 32 des Sondenkörpers 12 parallel zur Längsachse des Sondenkörpers 12 verläuft und den Deckel 22 durchsetzt. Ein vom Deckel 22 entferntes Ende 34 des Probeentnahmerohrs 30 ist seitlich abgeknickt, so dass das Ende 34 als erste Probeentnahmeöffnung 36 zur Gasentnahme seitlich aus der Rohraußenwand 14 herausgeführt ist.
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Wie insbesondere in 2 erkennbar ist und in 3 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, weist die Messgassonde 10 ein zweites Probeentnahmerohr 40 auf, das im Wesentlichen parallel zum ersten Probeentnahmerohr 30 verläuft und baugleich wie das erste Probeentnahmerohr 30 aufgebaut ist und somit eine zweite Probeentnahmeöffnung 46 an seinem Ende 44 aufweist.
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Die abgewinkelten Enden 34 und 44 der beiden Probeentnahmerohre 30 und 40 sind in dieser Ausführungsform jeweils radial ausgerichtet (2), so dass die Probeentnahmeöffnungen 36 und 46 auf dem Rohraußenwandumfang des Sondenkörpers 12 angeordnet sind, so dass das zu entnehmende Gas im Wesentlichen radial angesaugt wird (2). Der Weg des zu entnehmenden Gases ist in der Zeichnung durch Pfeile 48 und 49 angedeutet.
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Der Sondenkörper 12 weist weiter eine Kühlung auf. Als Kühlmittel wird typischerweise Wasser mit Additiven benutzt. Dazu führt ein durch den Deckel 22 geführter Kühlmittelvorlauf 50 Wasser ins Innere des Sondenkörpers 12. Über einen Kühlmittelrücklauf 52 wird das Kühlmittel/Wasser wieder herausgeführt. Eine nicht dargestellte Kühlmittelpumpe bewirkt den Kühlmittelumlauf. Der Kühlmittelvorlauf 50 umfasst ein Kühlmittelvorlaufrohr 54, das bis in den Bodenbereich hineinreicht, so dass das Kühlwasser erst im Bodenbereich aus dem Kühlmittelvorlaufrohr 54 austritt und in das Innere 32 des Sondenkörpers 12 strömt. Der Kühlmittelrücklauf 52 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gebildet durch eine Öffnung im Deckel 22, durch die das Kühlwasser zurückfließen kann. Insgesamt durchströmt daher das Kühlwasser vom Boden 18 her den Sondenkörper 12 in Richtung Deckel 22. Dabei umspült es die beiden Probeentnahmerohre 30 und 40 und kühlt diese sowie den Sondenkörper 12. Optional könnten zur Steuerung des Kühlmittelflusses und damit besseren Wärmeabführung Leitbleche im Sondenkörper 12 vorgesehen sein. Andere Kühlmittelführungen sind denkbar.
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In einer solchen Ausgestaltung ermöglicht die Messgassonde 10 einen kontinuierlichen Betrieb des mit dieser Messgassonde 10 ausgerüsteten Messsystems 100. Dieser Betrieb wird im Folgenden anhand der 3 erläutert.
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Zur Messung wird eine Gasprobe durch eines der beiden Probeentnahmerohre 30 bzw. 40 entnommen. Dies ist durch die Pfeile 48 bzw. 49 angedeutet. Das durch das Probeentnahmerohr 30 entnommene Gas erreicht über eine erste Gasleitung 122 das Messgerät 120. Das durch das Probeentnahmerohr 40 entnommene Gas erreicht über eine zweite Gasleitung 124 das Messgerät 120. In dem Messgerät 120 erfolgt die eigentliche Analyse des Gases, so dass über entsprechende Ausgabesignale des Messgeräts 120 abhängig von den ermittelten Rauchgasbestandteilen eine geeignete Steuerung der Reaktion in der Ofeneinlaufkammer 26 erfolgen kann.
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Ein wesentliches Element der Erfindung ist, dass während einer Probeentnahme durch eines der beiden Probeentnahmerohre 30 oder 40, das andere Probeentnahmerohr 40 bzw. 30 gereinigt werden kann. Dazu ist in der ersten Gasleitung 122 ein erstes Gasabsperrventil 126 vorgesehen und in der zweiten Gasleitung 124 ein zweites Gasabsperrventil 128. Die beiden Gasabsperrventile 126 und 128 sind im Messbetrieb wechselseitig geöffnet, so dass die Gasprobenentnahme entweder durch das erste Probeentnahmerohr 30 erfolgt oder durch das zweite Probeentnahmerohr 40. Bevorzugt sind die Gasabsperrventile 126 und 128 extern steuerbar, so dass die Umschaltung von einem Probeentnahmerohr auf das andere automatisch gesteuert erfolgen kann.
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Während über das eine Probeentnahmerohr die Entnahme erfolgt, kann das andere gespült und damit gereinigt werden. Dazu ist für jedes Probeentnahmerohr 30 bzw. 40 eine Rohrrückspülvorrichtung 130 bzw. 140 vorgesehen. Mit dieser kann das jeweilige Probeentnahmerohr 30 bzw. 40 gespült werden. Dazu ist ein mittels eines Rückspülventils 132 bzw. 142 öffenbarer Spülanschluss 134 bzw. 144 vorgesehen, über den Spülluft durch das Probeentnahmerohr 30 bzw. 40 entgegen der Entnahmerichtung (Pfeile 48 bzw. 49) zum Reinigen mit Hochdruck durchgeblasen werden kann.
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Um die Messvorrichtung 120 mit den darin vorgesehenen Analysekomponenten vor Verschmutzungen zu schützen, ist jeweils zwischen dem Probeentnahmerohr 30 bzw. 40 und der Messvorrichtung 120 ein Partikelfilter 150 bzw. 160 vorgesehen. Im Laufe der Zeit wird der Partikelfilter 150 bzw. 160 sich mit gefilterten Partikeln zusetzen, so dass vorteilhafter Weise je Entnahmezweig eine Filterrückspülvorrichtung 152 bzw. 162 zur Reinigung des Partikelfilters 150 bzw. 160 vorgesehen ist. Die Filterrückspülvorrichtung 152 bzw. 162 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Filterrückspülventil 154 bzw. 164, über das Spülluft über einen Druckluftanschluss 155 bzw. 165 zugeführt werden kann, so dass der Partikelfilter 150 bzw. 160 durch Rückspülung gereinigt werden kann. Da häufig auch der Filterraum verunreinigt ist, umfasst die Filterrückspülvorrichtung 152 bzw. 162 in gleicher Weise ein Filterraumrückspülventil 156 bzw. 166, mit dem der Filterraum an einen Druckluftanschluss 157 bzw. 167 angeschlossen und mit Druckluft rückgespült werden kann. Insbesondere die Filterreinigung erfolgt impulsweise, so dass die Spülung stoßweise durch das Filter geleitet wird, damit die Verunreinigungen sich besser lösen und herausgespült werden. Die Spülluft für die Filterrückspülung bzw. Filterraumrückspülung wird über das Probeentnahmerohr 30 bzw. 40 entsorgt.
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Bevorzugt umfasst das Messsystem eine Steuereinheit 170, die dazu eingerichtet und konfiguriert ist, die Probeentnahme- und Reinigungszyklen zu steuern. Über diese Steuereinheit werden dann die Gasabsperrventile 126 und 128 sowie die Rohrrückspülvorrichtungen 130 und 140 und die Filterrückspülvorrichtungen 152 und 162 mit ihren jeweiligen Komponenten gesteuert.
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Damit die Spülluft, die aus einer der Probeentnahmeöffnungen 36 bzw. 46 austritt, nicht die Probeentnahme an der anderen Probeentnahmeöffnung 46 bzw. 36 stört, also Spülluft mit der Probenentnahme nicht gleich wieder angesaugt wird, sind die Probeentnahmeöffnungen 36 und 46 in einem Abstand zueinander angeordnet, was an einfachsten erreicht wird, wenn die abgewickelten Enden 34 und 44 der beiden Probeentnahmerohre 30 und 40, wie oben beschrieben und in 2 gezeigt, radial ausgerichtet sind, so dass das zu entnehmende Gas aus einer anderen Richtung angesaugt wird, als die Austrittsrichtung der Spülluft an dem anderen Probeentnahmerohr. Dazu liegen die abgewickelten Enden 34 und 44 in der Ansicht der 2 in einem Winkel zueinander.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Sondenkörper 12 durch eine nicht dargestellte Mechanik mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Antriebes vor- und zurück bewegt werden, um Anbackungen am Sondenkörper 12 zu entfernen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1371976 A1 [0004, 0005]
- EP 3608667 A1 [0006]
