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Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme und Aufbereitung einer Abgasprobe
zur Analyse Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme
und Aufbereitung einer repräsentativen Abgasprobe, die aus einem sich durch hohe
Temperatur und hohen Staubgehalt aus zeichnenden Raum einer Wärme- bzw. Heizeinrichtung
zur Analyse entnommen wird, wobei diese Analyse kontinuierlich durchgeführt wird.
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Gegenwärtig werden moderne Wärmeeinrichtungen aus betrieblich- ökonomischen
Gründen mit hohen Leistungen als Großdimensions-Einrifhtungen erwogen. Die notwendige
Freisetzung einer derartig großen Wärmemenge ist durch Verbrennung einer entsprechenden
Menge von gasförmigem,
flüssigem oder festem Brenngut bedingt. Bei
jedem Brennprozeß muß, wenn er wirtschaftlich sein soll, unter anderem ein optimales
Mischverhältnis zum Brennen - also ein optimales Verhältnis zwischen dem zugeführten
Brenngut und Luft - eingehalten werden. Ein Schwanken dieses Verhältnisses hat entweder
eine unvollkommene Verbrennung von Brenngut oder ein Brennen mit großem Sauerstoff-Überschuß
zur Folge, was beides unwirtschaftlich ist. Außerdem ist eine unvollkommene Verbrennung,
also mit einem kleinen oder sogar ohne Sauerstoff-Überschuß explosiv, insbesondere,
wenn man eine optimale Konzentration des Kohlenoxids in den durch die komplizierte
technologische Einrichtung gehenden Abgasen erreicht. Nach der Art der Technologie
ist es oft erwünscht, nicht nur den Gehalt an Kohlensäure, sondern auch an Kohlenoxid,
ggf. anderer Abgas-Komponenten, zu kennen. Es ist daher zweckmäßig, eine vollständige
Analyse der Abgase vorzunehmen, und zwar einerseits zum Erhalten eines optimalen
Verbrennungsverhältnisses sowie andererseits zum Einhalten der Technologie und nicht
zuletzt zur Regelung eines ganzen Fertigungsprozesses. Bei Wärmeeinrichtungen großer
Kapazität beruht diese Zweckmäßigkeit vor allem darauf, daß es zum Verbrennen von
beträchtlichen Brenngutmengen kommt, so daß jede Abweichung vom optimalen Verbrennungsbetrieb
einen beträchtlichen Verlust an Energie zur Folge hat.
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Die einfachste Abgasanalyse kann man mittels eines Orsat-Apparats
durchführen. Diese Methode ist jedoch nicht nur langwierig, sondern außerdem nur
periodisch.
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Daher werden heute meistens kontinuierlich arbeitende Analysatoren
gebraucht, die elektrisch arbeiten. Eine repräsentative Abgasprobe, die an geeigneter
Stelle der Wärmeeinrichtung durch eine Sonde entnommen wird, wird
dem
Analysator zugeführt, wobei sie vorher geeignet aufbereitet wird. Wenn man einen
zuverlässigen, kontinuierlich arbeitenden Abgasanalysator gebraucht, gelten die
Zuverlässigkeitsanforderungen für alle im Analysen-Kreis angeordneten Apparate,
zu denen ohne Zweifel auch die Entnahmesonde gehört, wenn von einer kontinuierlichen
Abgas-Analyse gesprochen werden soll.
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Wie bereits gesagt, die Entnahmesonde ist an einer geeigneten Stelle
der Wärmeeinrichtung angebracht. In der Regel zeichnet sich diese Stelle vor allem
durch eine hohe Temperatur mit beträchtlichem Staubgehalt aus.
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Dies gilt insbesondere für Wärmeelnrichtungen zur Erzeugung von Klinker,
die mit Trocken- oder Naßverfahren arbeiten. So wird z.B. bei einem im Trockenverfahren
arbeitenden Drehofen die Entnahmesonde an dessen Ende angebracht, von wo Abgase
in den nachgeordneten Wärmetauscher abziehen. Die Temperatur an dieser Stelle erreicht
500 °C und der Staubgehalt der Abgase bewegt sich um 200 g/Nm3.
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Eine hohe Temperatur und ein hoher Staubgehalt von Abgasen sind zwel
Umstände, die beim t3au einer Entnahmesonde berücksichtigt werden müssen, wenn diese
zuverlässig kontinuierlich arbeiten soll. Die Praxis zeigt jedoch, daß dies niciit
der Fall ist - die Sonden arbeiten periodisch, je nach Aufbau mit einem kleineren
oder größeren Intervall, wobei die Intervallänge dadurch den Zusetzungs-Zustand
der Entnahmesonde bestimnit wird. Daiul ist es nötig, die Entnahme zu unterbrechen
und die Sonde zu reinigen, um ihre Durchlässigkeit zu erneuern. Das Zusetzen der
Sonde ist eine begleiterscheinung, die vor allem durch einen hohen Staubgehalt in
deri Abgasen, aus denen zwecks Analyse eine Probe entnommen wird, verulsacht wird.
Der in der Abgasprobe enthaltene Staub setzt sich als den Wänden des Gasrohres
bzw.
der Entnahmesonde so lange ab, bis dieses völlig zugesetzt ist. Die Reinigung des
Gasrohres wird entweder von Hand oder automatisch durchgeführt, wobei hinzukommt,
daß der automatische Kreis sich durch eine unangemessene Kompliziertheit und in
diesem Zusammenhang durch eine beschränkte Betriebszuverlässigkeit auszeichnet,
denn jede kleine Undichtheit in dem Kreis wird zur Ursache fehlerhafter Werte im
Analsenresultat.
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Dies gilt auch von "trockenen" sonden, die durch den folgenden periodischen
>yklus charakterisiert sind: a? Probenentnahme, wobei es zu einer fortschreitenden
Zusetzung kommt, b) Ijnterbrechung der Probenentnahme, c) Reinigung - in der Regel
durch Luftdurchblasen, d) Unterbrechung der Reinigung, e) Entlüftung des Gasweges,
f) Fortsetzung der Probenentnahme.
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Etwas anders arbeiten die sog. Naß-Sonden, bei denen in der Mündung
des Gasrohres Wasser verspritzt wird, das den in der zu entnehmenden Abgasprobe
enthaltenen Staub abspült, wobei das Wasser mit der Gasprobe im Gleichstrom strömt
und Wasser-Schlamm zuletzt von der Probe abgeschieden ist. Auch bei diesem Sondentyp
kommt es nach einer bestimmten Betriebszeit zur Verklebung der Sondenmündung, durch
die das verstaubte Gas angesaugt wird.
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Ferner ist die Durchläßigkeit des Gasrohres nicht dauerhaft, denn
der Wasser-Schlamm besitzt keine angemessene Stromgeschwindigkeit, so daß die Erosion
so gering ist, daß sie der Verstopfung bzw. Zusetzung des Rohres
nicht
vorbeugen kann. Aus der Praxis ist es bekannt, daß der Arbeitszyklus einer Naß-Sonde
länger als der einer trockenen ist, wobei ein großer Vorteil die konstruktive Einfachheit
und die damit zusammenhängende höhere Betriebszuverlässigkeit ist. Es ist jedoch
bekannt, da:3 es bei dem Kontakt der Abgasprobe mit Wasser zu einer teilweisen Absorption
von Kohlensäure aus den Gasen in das Wasser kommt und daher zur Verfälschung der
Analysatoranzeigen, wenn auch diese Verfälschung gering und zudem konstant ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, alle diese Nachteile zu überwinden.
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Ein Verfahren zur Entnahme und Aufbereitung einer Abgasprobe zur
Analyse ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die repräsentative Abgasprobe
mit Staubgehalt einer Filterkammer zugerührt wird, in die gleichzeitig, jedoch von
der gegenüberliegenden Seite über eine Düse ein unter Druck strömendes Arbeitsmedium
zugeführt wird, dessen Energie höher als die der Abgasprobe ist, so daß bei deren
gegenseitigem Kontakt infolge Gegenstrombewegungen von verschiedener Energie zuerst
eine Verringerung der Bewegungsenergie der in der Abgasprobe enthaltenen festen
Anteile, ferner eine Uebernahme neuer Bewegungsenergie von dem strömenden Arbeitsmedium
und zusetzt eine Annahme von dessen Bewegungsrichtung erfolgt, wodurch eine Abscheidung
dieser festen Anteile von der Abgasprobe bewirkt wird, so daß das Abgas als reines
Gas zur Analyse geführt wird und die testen Anteile VOl dem stömenden Arbeitsmediurn
absorbiert' in den Raum der Wärmeeinrichtung abgeführt werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist gemaß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Mantelrohr, an das ein Sondenkopf
mit innerer Filterkammer und innerer Gaskammer angeschlossen ist, wobei in die Filterkammer
eine zerstreuungs düse und in die Gaskammer ein Gasrohr zur Abführung der Abgasprobe
einmündet sowie beide Kammern mittels eines iJberlauSspalts verbunden sind.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erlautert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit A aus Fig. 1, die die Anordnung
der Gas- und der Filterkammer mit einer Zerstreuungsdüse im Sondenkopf zeigt; und
Fig. 3 einen Schnitt R-R in Fig. 2, die einen durch gegenseitiges Durchdringen der
Gas- und der Filterkammer entstandenen Üerlaufspalt veranschaulicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Mantelrohr 1,
an dem ein Sondenkopf 7 angeschraubt ist.
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Im Sondenkopf 7 sind eine Gaskammer und eine Filterkammer 10 (beide
zylinderförmig) derart angeordnet, daß die Gaskammer 9 koaxial zum Sondenkopf 7
liegt, und zwar zum Unterschied von der Filterkammer 10, die zur Achse des Sondenkopfes
7 exzentrisch ist.
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Durch gegenseitiges Durchdringen der kammer 3 ur
der
Fliterkammer 10 entsteht ein Überlaufspalt 11. Die Größe des Uberlaufspalts 11 wird
so gewählt, daß die Geschwindigkeit des strömenden Gases durch den Spalt 1 kleiner
ist als die Fallgeschwindigkeit der in der zugeführten repräsentativen Probe enthaltenen
festen Anteile.
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An der Innenseite des Sondenkopfes 7 ist in den Raum der Filterkammer
10 eine 7.erstreuungsdiise 12, die zur Zerstreuung des Arbeitsmediums dient, eingepreßt.
Zur Zuführung des Arbeitsmediums in den Raum des Mantelrohres dient das Rohr 7 mit
einem Stellverschlul3 2. Die gereinigte repräsentative Gasprobe wird aus dem Raume
der Gaskammer 9 durch das Gasrohr 5 abgeführt, an das ein Verbindungsrohr 6 eines
(nicht gezeigten) Analysators angeschlossen ist.
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Das Rohr 4 ist ggf. zur Abführung des Teiles-des Arbeitsmediums aus
dem vorderen Raum des Mantelrohres 1 bestimmt, von wo dieses Medium durch ein Überlaufrohr
l) über einen Stellverschluß 8 zu Abfall (nicht gezeigt) geführt wird.
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Im Bedarfs falle ist es möglich, das Rohr 4 an das Gasrohr 5 anzuschließen
und mit dem Arbeitsmedium durchzuspülen (in der Zeichnung mittels einer Strichlinie
veranschaulicht).
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren
durchführt, ist folgende: Die verstaubte repräsentative Gasprobe aus dem Raum der
Wärmeeinrichtung wird der Filterkammer 10 zugeführt, in der von der anliegenden
Seite her durch die Düse 2 das Arbeitsmedium expandiert, um hauptsächlich eine Filterwirkung
zu erzielen. Bei gegenseitigem Kontakt des Arbeitsmediums und der verstaubten Probe
wird diese gereinigt, wobei die reine Gasprobe über den Überlaufspalt 11 in die
Gaskammer 9 geführt wird, während die Staubanteile vom expandierenden Arbeitsmedium
mitgerissen werden, von dem
sie absorbiert und in den Raum der Wärmeeinrichtung
zurückgebracht werden. Die reine Gasprobe wird aus der Gaskammer 9 weiter durch
das in dem Innenraum des Mantelrohres 1 angebrachte Gasrohr 5 geführt, wobei diesen
Innenraum ein kontinuierlich strömendes Arbeitsmedium ausfüllt. Dieses Arbeitsmedium
kühlt vor seinem Eintritt in die Filterkammer in seiner Nebenfunktion wenigstens
teilweise nicht nur das Mantelrohr 1, das in die Zone hoher Temperatur eingeschoben
ist, sondern auch das Gasrohr 5, durch das eine auch Wasserdampf enthaltende Gasprobe
durchgeht.
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Infolgedessen kommt es zur Kondensation dieser, in der Gasprobe enthaltenen
Wasserdämpfe, wobei das Kondensat durch das Gasrohr 5 in die Gaskammer 9 und weiter
über den Überlaufspalt ll in die Filterkammer 10 hinunterfließt, von wo es von dem
expandierenden Arbeitsmedium dem Raum der Wärmeeinrichtung ähnlich wie die Staubanteile
der repräsentativen Gasprobe zugeführt wird, unter der Voraussetzung, daß die ganze
Sonde in Richtung zu dem Sondenkopf 7 einen Gradienten aufweist. Die reine Gasprobe,
von der das Kondensat abgeschieden ist, wird von der Sonde zum Analysator durch
das Verbindungsrohr 6 geführt. Das Arbeitsmedium wird in den Innenraum des Mantelrohres
1 durch das Rohr 3 über den Verschluß 2 geführt, durch den die Menge des Arbeitsmediums
nach Bedarf geändert werden kann. Das Arbeitsmedium strömt durch den Innenraum des
Mantelrohres 1 in Richtung zum Sondenkopf 7, wobei es seine Temperatur erhöht, die
durch ein teilweises Ablassen des Arbeitsmediums durch das Überfallrohr 13 über
den Verschluß 8 beeinflußt werden kann. Der restliche Teil des Arbeitsmediums tritt
in die Zerstreuungsduse 1? mit der erwünschten Temperatur ein, die von der Menge
des zugeführten Arbeitsmediums, ferner von der teilweise
abgeführten
Menge des Arbeitsmediums und auch von der Umgebungstemperatur der Sonde abhängig
ist. Durch Einstellung der Temperatur des Arbeitsmediums am Ausgang aus der Düse
nahe dem Siedepunkt bei gegebenem Druck kann die Höhe der Absorptionsfähigkeit einiger
Gaskomponenten durch das Arbeitsmedium beeinflußt werden.
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Praktische Prüfungen bestätigten theoretische berlegungen, daß bei
optimaler Temperatur des Arbeitsmediums und der Gasprobe diese Absorptionsfähigkeit
mittels früherer Auswertungsmethoden unregistrierbar ist. Durch das Verfahren und
die Vorrichtung nách der Erfindung erreicht man einen sehr einfachen Aufbau der
Sonde zur kontinuierlichen Gasanalyse und dadurch auch ihre große Betriebszuverlässigkeit.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Zusetzen der Mündung der Sonde oder
des Gasrohres verhindert, sodaß eine wirklich kontinuierliche Gasanalyse, die zur
kontinuierlichen Auswertung des Verbrennungsprozesses in Wärmeeinrichtungen nötig
ist, erreicht werden kann. Eine kontinuierliche Abgasanalyse bringt nicht nur beträchtliche
Brennstoffeinsparungen mit sich, sondern gibt auch eine Übersicht über den Ablauf
des technologischen Prozesses und ermöglicht eine Regelung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
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Die Abgasanalyse ist auch eine Voraussetzung für eine sichere Brennstoffverbrennung
und für einen sicheren Betrieb.