DE2902272A1

DE2902272A1 - Verfahren zum quantifizieren der fluechtigen emission von schadstoffen

Info

Publication number: DE2902272A1
Application number: DE19792902272
Authority: DE
Inventors: George H Milly
Original assignee: Geomet Inc
Current assignee: Geomet Inc
Priority date: 1978-04-12
Filing date: 1979-01-22
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB2018980A; US4135092A; FR2434382A1; CA1062042A

Description

PATENTANWALT ^ "~ D 7261 Gechingen/Bergwald

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _{Tc|efon; (ü7056) 1367}

Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingcn 5 · Januar 1979

Int.Az.: 15Ο/79

GEOMET EXPLORATIONjXNC. I9OO Folsom Street Boulder,Colorado 8O3O2 U.S.A.

Verfahren zum Quantifizieren der "flüchtigen" Emission von Schadstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, welches insbesondere zum Messen von Einssionswerten in der Luft geeignet ist.

Es ist bekannt, nach dem sogenannten "quasi-stack"-Verfahren eine Haube über einer isolierbaren Verschmutzungs— quelle zu errichten, so daß die zu meissenden Schadstoffe durch einen Kanal mit bekanntem Querschnitt strömen und die bei Schornsteinen mit vorgegebenen Abmessungen bekannten Messungen des Durchflusses und der Schadstoffkonzentration durchgeführt werden können. Dieses Verfahren macht es erforderlich, daß ein Element einer flüchtigen Emission umgewandelt wird in eine räumlich begrenzte Emission, was praktisch nicht durchführbar ist bei einer Vielzahl von Emxssionspunkten, bei großen Verschmutzungsquellen, bei räumlich verteilten Verschmutzungsquellen oder bei komplexen, veränderlichen und schlecht definierten Verschmutzungsvorgängen.

Weiterhin ist das sogenannte Daoh-Monitor-Verfahren verwendbar für die Messung von Emissionswerten von Substanzen, die innerhalb eines Gebäudes erzeugt werden und durch eine

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Volksbank Bubl'tigim AG. Ktn 108<15ϋ008 (BLZ 60J902201 .-Postscheck Stuttgart 990 !A-709

Öffnung in dem Gebäude in die' Umgobungsluft austreten. Dabei liandelt es sicli um eine Abwandlung eines Verfahrens zur Messung einer räumlich begrenzten Emission, wobei die Öffnung so groß ist, daß die Konzentrationen und Durchflußgeschwindigkeiten der verschmutzenden Substanzen bei einer Anzahl von Punkton über dor Ebono dor Öffnung gemessen und dann integriert werden müssen, um die gesamte Emissionsgeschwindigkeit zu messen. Dieses Verfahren ist nur anwendbar, wenn die Verschmutzung innerhalb eines Raumes verursacht wird und eine große, indessen gut definierte Öffnung zur Umgebung:-; 1 uft vorhnnclnn ist. Dieses Meßverfahren ist jedoch nicht nützlich bei einer Vielzahl von Emissionspunkten, räumlich verteilten Verschmutzungs— quellen oder komplexen, veränderlichen und nicht genau definierten Verschmutzungsvorgängen .

Bei dem sogenannten Aufwind/Abwindverfahren werden die· atmosphärischen Konzentrationswerte sowohl abwindseitig als auch aufwindseitig von der Emissionsquelle gemessen und die Differenz dieser Werte ergibt die durch die Verschmutzungsquelle verursachte Emission. Das kritische Element bei dieser Meßtechnik besteht in der Verwendung der mathematischen Modelle der atmosphärischen Diffusion bei metereologischen Messungen, um die Stärke der Emissionsquelle zu errechnen. Unter den drei vorgenannten Meßverfahren ist dieses prinzipiell das einzige, welches bei räumlich nicht begrenzten Verschmutzungsquellen in Frage kommen kann. Indessen hat dieses Verfahren beträchtliche Nachteile. Zunächst muß angenomnen werden, daß das atmosphärische Diffusionsmodell genau das Verhalten von Schadstoffen nach deren Freilassung in die Atmosphäre wiedergibt. Allgemein gesprochen ist selbst im einfachsten Falle einer kontinuierlich emittierenden punktförmigen Verschmutzungsquelle am 3oden die Übereinstimmung zwischen dem Modell und der Beobachtung nur näherungsweise. Zweitens können bei diesem Verfahren die üblichen Probleme nicht berücksichtigt werden, die sich durch die Emission durch Ver—

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schmutzungsquellen mit w illkürlicher und unregelmäßiger Geometrie sowie mehrfachen Elementen in verschiedenen Höhen ergeben. Dieses beruht darauf, daß Diffusionsformeln in der Regel nur erhältlich sind für Verschmutzungsquellen mit einfacher Geometrie, beispielsweise punktförmige, linienförmige oder bestimmte gleichförmig verteilte Quellbereiche. In dor Praxis handelt es sich jedoch um komplexe, vielfache, nicht gleichförmige und unbegrenzte ' Verschmutzungsquellen. Insbesondere fehlt das Wissen um die räumliche Verteilung der verschmutzenden Elemente, so daß keine mathematische Integration dor einfachen JJL lTusloiisf οnm» 1 η orΓο Lf·;»-*" kann uiiil soiniL di.<» lOm i. s.s Lon flüchtiger Substanzen nicht befriedigender Weise quantifiziert werden kann. Andererseits ist die räumLiche Verteilung der Emissionsstärke einer Verschmutzungsquelle natürlich eine der Hauptaufgaben bei der Beurteilung von Emissionsquellen.

Zusammengefaßt ergibt keines der verfügbaren Verfahren eine direkte Messung der Emissionsgeschwindigkeiten bei räumlich unbegrenzten Quellen mit beliebiger und komplexer Geometrie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäG dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß die Geschwindigkeit einer "flüchtigen" Emission von Schadstoffen einer Quelle gemessen werden kann, die nicht bzw. nicht in geometrisch einfacher Weise begrenzt ist.

Diese Aufgabe wird erflndungsgemä3 durch das Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß werden flüchtige Schadstoffemissionen quantifiziert, indem die Geschwindigkeit und Richtung des Windes von einem Indexpunkt abwindseit-ig von einer Verschmutzungsquelle gemessen werden und nahe dem Indexpunkt eine Verschmutzung«—Meßebene definiert wird, welche transversal gegenüber dex- Windrichtung ausgerichtet ist. Die Versehmutzungskonzcntration wird

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innerhalb der vertikalen und seitlichen Abmessungen dieser Meßebene gemessen und als vertikales Profil des Verschmutzungsdurchsatzes angegeben. Diese Werte können bezogen werden auf die tatsächliche; Emissions— zeit, indem der Abstand von der Emissionsquelle und die Windgeschwindigkeit berücksichtigt wcrdan.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schemabisch eine Vnrschinutzungs- Mcßobene, die abwindseitig von einer Verschmutzungsquelle definiert ist zur vertikalen Messung des Verschmutzungsdurchsatzes,

Fig.2 ein Diagramm eines horizontalen Profiles der Verschmutzungskonzentration C entlang der y-Achse in einer Höhe Z und in einem Abstand X abwindseitig von der Verschtnutzuigsquelle,

Fig.3 ein Diagramm der Höhe über der über den Seitenwindbereich integrierten Konzentration M zur Ermittlung der Eraissionsrate, welche bezüglich der Abtastgeschwindigkeit und Durchlaufgeschwindigkeit nicht korrigiert ist,

Fig.4 schematisch ¥indmeß-und Verschmutzungsmaßbestandteile eines vorgeschlagenen Systemes zum Messen der Emissionsgeschwindigkeit,

Fig.5 schematisch, eine Seitenansicht eines mit Seilen verspannten, festen Hastens, welcher Verschmutztmgsmeßgeräte trägt,

Fig.6 schematisch eine Seitenansicht eines durch einen Ballot! in der Luft getragenen Kabels, welches Verschmatzungsmeßgeräte trägt,

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Fig.7 schematisch eine Seitenansicht eines durch einen Hubschrauber angehobenen freischwebenden Kabels, welches Verschmutzungarneßgeräte trägt,

Fig.8 schematisch ein Flugzeug mit festen Tragflügeln, welches in einer Vielzahl von Durchgängen durch eine Verschmutzungs—Meßebene EniLssionswerte mißt,

Fig.9-^schematisch ein für lange Entfernungen geeignetes Infrarotabsorptionsvox'fahren zinn Messen der über die Seitenwindfläche integrierten Vorschmutzungs— konzentration.

Die Beurteilung und Überwachung der atmosphärischen Verschmutzung beruht letztlich auf der Fähigkeit, verschiedene Aspekte ihrer Erscheinungsformen zu messen. Ohne diese Fähigkeit kann quantitativ keinerlei Fortschritt auf diesem Gebiet bestimmt werden, noch kann diagnostisch die Information erhalten werden, um Anhaltspunkte für wirksame Lösungen zur Überwachung der atmosphärischen Verschmutzung zu erhalten. Eines der wichtigsten Erfordernisse ist die Fähigkeit, die Emissionsrate für interessierende Verschmutzungsstoffe aus den verschiedenen Arten von Verschmutzungsquellen zu messen.

Insbesondere wichtig ist es, daß die Typen von Verschmutzungsquellen differenziert werden, da jeder Typ spezielle Probleme bezüglich der Messung und Beurteilung ergibt. Beispiele von üblicherweise angetroffenen Verschinutzungsquellen sind Industrieschornsteine, die Schornsteine von Stroinorzcugungs— anlagen, Flugzeuge, Raffinerien, Gießereien, StahLöfen, industrielle Komplexe, Zementwerke, Automobilwerke und dergleichen. Bei dem Problem der Messung der Emissionsraten von Verschmutzungsquellen kann die Vielzahl der verschiedenen Typen von Verschmutzungsquellen reduziert werden entsprechend bestimmten Konzepten, die bei der Beurteilung in jedem Fall geeignet sind.

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Der Hauptunterschied , welcher gemacht werden muß, besteht zwischen Emissionen, die durch eine begrenzte Fläche hindurch, beispielsweise einen Schornstein oder ein Abgasrohr oder eine andere genau begrenzte Leitung hindurch erfolgen, und solchen Emissionen, die über einen Bereich verbeilt sind oder von einer Vielzahl von nicht genau definierten Verschmutzungselementen - oder Vorgängen herrühren. Meßtechnisch ist diese Unterscheidung scharf. Im ersten Fall der "begrenzten Emissionen" wird die Emissionsgeschwindigkeit erhalten, indem die Geschwindigkeit es Volumondurchsatzes der Luft durch cvLnon definierten Auslaßkanal (Schornstein, Abgasrohr) gemessen wird und gleichzeitig die Konzentration der interessierenden Verschmutzung in dem Auslaßkanal gemessen wird. Das Produkt dieser zwei Werte mal dem Querschnittsbereich der Auslaßfläche ist die Emissionsgeschwindigkeit.

Im zweiten Fall der flüchtigen oder "fugitiven" Emissionen existierb kein einzelner Auslaßkanal. Vielmehr kann es sich um eine Vielzahl von Emissionspunkten handeln, beispielsweise in Folge des Leckens durch verschiedene offene oder geschlossene Türen und Fenster, Verbindungen, Ventilatoren und dergleichen. Oder es kann sieh um einen weit verstreuten, verteilten, zur Atmosphäre hin offenen Quellenbereich ohne Auslaßkanäle handeln, beispielsweise um Klärbecken mit flüchtigen Bestandteilen, industrielle Deponien, die der Staubverbreitung unterliegen, Uranlager mit entsprechender Strahlung, Waldbestände, welche Fasserdampf abgeben, auch kann es sich um komplexe, veränderliche und schlecht definierte Vorgänge mit variablen Anteilen zwischen der Verschmutzung innerhalb und außerhalb von Räumen Handeln, beispielsweise bei Zementwerken, Planierarbeiten und sonstigen Erdarbeiten, oder Komplexen von einzelnen Verschmutzungsquellen, beispielsweise Autos oder Flugzeugen auf einem Flughafen.

Die Messung der Emissionsrate für "flüchtige Quellen" ist ein ganz anderes Problem gegenüber der Messung von

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Emissionsraten von "begrenzten Quellen", da es in der Regel nicht praktikabel ist, für jedes Emissioriselement die Volumendurchflußgeschwindigkeit gleichzeitig zusammen mit der Konzentration zu messen. In der Tat brauchen Oboriiaupt keine« Ausgangspunkte au existieren, wie es der Fall bei Verschmutzutigsquellen außerhalb von Gebäuden sein kann. Insgesamt sind die bisher verfügbaren Verfahren zum Messen der flüchtigen Emissionsratcn entweder nur Teillösungen oder indirekte Verfahren und weitgehend ungenau.

Die vorgenannten drei grundsätzlichen Verfahrensarten sind beschrieben in Journal of the Air Pollution Control Association, November 1976,Seiten 10^7 bis 10^9.

Statt zu versuchen, eine im einzelnen nicht definierte flüchtige Verschmutzungsquelle in eine begrenzte Quelle umzuformen, was nur bei sehr wenigen Verschmutzungsquellen möglich ist, wird hiermit das Problem in einer vollkommen allgemein gültigen ¥eise gelöst, welche nicht die Komplexität und die logistischen Anstrengungen solcher Umformungen erfordert und xirelche noch nicht indirekt und ungewiß funktioniert wie das Aufwind/Abwindverfahren. Dieses wird erreicht, indem ein Meßsystem verwendet wird, welches zur Beobachtung des Verschmutzungsdurchsatzes durch eine vertikale Ebene dient, die in einem willkürlichen Abstand abwindseitig von allen aktiven Elementen der flüchtigen Quelle definiert ist und sich von dem Bodenniveau vertikal hinreichend hoch nach oben erstreckt, um den gesamten von der Quelle aufsteigenden Ausstoß zu umfassen, und welche sich hinreichend in beiden Richtungen senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckt, um den gesamten Ausstoß von der Verschmutzungsquelle gemäß Fig.1 zu erfassen.

Das Konzept, über eine vertikale, zur Strömungsrichtung senkrechte Fläche verteilte Meßpunkte zu verwenden, wurde vom Erfinder erfolgreich erprobt bei der Beurteilung des

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Wirkungsgrades der Vertex Lung von chemischen und biologischen Kampfstoffen, die zu Emissionsquellen mit einer komplexen und veränderlichen Geometrie in der unbegrenzten Atmosphäre führen und erzeugt werden durch eine Anzahl von explodierenden, Wärme erzeugenden und strahlenden Mechanismen,die entweder einfach oder in mehrfachen Anordnungen mit zufälliger Konfiguration vorhanden sind. (Vergl. G.H. MiHy, International Journal of Air and Water Pollution, 196^, Band 8, Seiton 2^1 bis 295.) Um dieses Konzept als richtig nachzuweisen, bestand die Abtastanordnung bei diesen militärischen Anwendungen aus einer Reihe von Meßmast en, an denen Luf-tsonden intervallweise angebracht waren. Das Messen an jedem Punkt erfolgte entweder durch eine einzelne die gesamte Dosierung integrierende Sonde oder eine Folge von kurzzeitigen Abtastungen entsprechend der zeitlich veränderlichen Natur der" Verschmutzungsquelle-. Die gleichzeitige Messung der vertikalen Verteilung der Windgeschwindigkeit erlaubt die Messung des Verschmutzungsdurchsatzes durch die Meßebene entsprechend den folgenden Prinzipien. Angenommen eine Quelle befindet sich im Ursprung eines rechtwinkligen Koordinatensystemes, in welchem $le X-Achse in der Richtung des durchschnittlichen Windes, die Y—Achse in Seitenwindrichtung und die Z-Achse vertikal angeordnet sind. Im allgemeinen Fall einer sich seitlich verändernden Emissionsgeschwindigkeit beträgt der gesamte Durchsatz an Verschmutzutigsstoffen, die bis zur Zeit τ transportiert worden sind, durch eine Ebene am Punkt χ = Konstant abwindseitig von der Quelle : I f C(y,z,t) u(z,t) dt dy dz (1)

dabei bedeuten u(z,t) und C(y,z,t) die Windgeschwindigkeit bzw.Konzentration der Schadstoffe, und die Windgeschwindigkeit u wird in y-Richtung als unveränderlich angenommen,

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vorausgesetzt daß die Abmessung der Quelle in der Seitenwindrichtung nicht zu groß ist. Anderenfalls kann das Windprofil an mehr als p.lnor Stolle erhalten werden. Da der Wert Q(^ in einem Abstand χ abwindseitig gemessen wird, entspricht er dem gesamten Schadstoff— durchsatz an der Quelle im Zeitpunkt (T- x/u). Wenn die vertikale Ebene nicht zu weit abwindseitig von der Quelle entfernt ist und falls der Wert -ζ nicht zu kurz ist(d.h.falls"t ^>x/u), kann der Gesamttransport durch die Meßebene in guter Näherung gleich der kumulativ freigesetzten Schadstoffmenge an der Quelle im Zeitpunkt χ sein. Es kann manchmal nicht einfach sein, experimentell den Wert des inneren Integrals in Gleichung(1) zu bestimmen, da große Zahlen kontinuierlicher Aufzeichnungen von Konzentratxonswerten erforderlich sind. Unter der Annahme, daß η aufeinander folgende Proben an jedem Probenpunkt abgenommen wurden, und dieses hinreichend kurzfristig erfolgte, so daß die Windgeschwindigkeit oder Konzentration über dem Abtastintervall als konstant angenommen worden kann, kann Gleichung (i) anp;ewondot werden durch

Q (r) =£2 ( ^ui.(z) J ^Di (y>^z) dy dz (2)

da bedeutet D. das Dosxerungsinkrement in dem Zeitintervall i gemessen über einem Gitter von Abtastpunkten in einer yz-iEbene senkrecht zur Windrichtung durch Vakuum- Ab saugung und Sammlung der Schadstoffe durch geeignete Mittel (beispielsweise Blasenprobegeräte, Aufprallsonden, Filter und dergleichen) mit nachfolgender Analyse des Inhalts dieser Einrichtungen.

In der Praxis hat sich die Verwendung einer zylindrischen Oberfläche anstelle einer Ebene als zweckmäßig herausgestellt, wenn ein festes Probengitter installiert wird, so

- Ι-Ί -

daß eine Anpassung an jede Windrichtung gegeben ist. Diese Messung ergibt einari geringfügig verzerrten Näherungswert der tatsächlichen Verteilung der* Seitenwinddosierung, da die Messungen längs einer bogenförmigen Linie und nicht längs einer Transversallinie zur Strömungsrichtuag ausgeführt wsrdon. Indessen betragen typische Korrekturwerte, bei denen der Probenabstand auf eine gerade Linie umgerechnet wird, weniger als h-^r/o.

Während das zugrunde liegende wissenschaftliche Konzept der Auswertung von flüchtigen ("fugitive") Quellen in der vorstehend beschriebenen Weise erläutert wurde, waren die herkömmlichen mechanischen Anordnungen nicht ohne weiteres anpaßbar und nutzbar für die Bewertung einer Vielzahl von Arten von flüchtigen Quellen an vielen verschiedenen Stellen . Das mechanische System, welches zum Nachweis der vorliegenden Konzeption verwendet wurde, bestand aus einer dauernden Anlage solcher Komplexität, daß diese nicht geeignet war für eine flexible Lösung für die veränderlichen Erfordernisse dar Bestimmung von flüchtigen Schadstoffquellen.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Beurteilung des Massendurchsatzes eines Schadstoffes durch eine vertikale Ebene geschaffen, die quer zur Strömungsrichtung und abwindseitig bezüglich einer flüchtigen Quelle ausgerichtet ist, und zwar durch praktische, wirtschaftliche, flexible Mittel, welche keine Installation um solche Quellen aus komplexen und. permanenten oder halbpermanenten Meßsystemen erfordern und welche die Nachteile der zur Zeit verfügbaren Lösungen vermeiden.

Der Grundgedanke der Erfindung betrifft die Messung der integralen Konzentration quer zur Strömungsrichtung derart, daß weder eine dauerhafte noch eine halb-dauerhafte oder extensive Anordnung fön LuftsoJiden erforderlich ist.

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Die theoretische Basis der Erfindung beruht auf der Umformung der Gleichung (-1 ) in folgender Weise:

Q(t) = |\. Γ C(y,z,t) u(z,t) dy dz (3)

Dabei bedeutet Q(t) den Schadstoffdurchfluß zu irgend-, einem Zeitpunkt t.

Konzentrationsmessungen werden über eine hinreichend kurze Zeitspanne ausgeführt, so daß die Geschwindigkeit u und die Konzentration C des Windes während'der Meß— dauer als gleichbleibend angenommen werden können. Dann ergibt sich aus Gleichung (3) ί

CO

Q = Γ"³⁰ u(z) J C(y,z) dy dz

J J

u(z) J J- °

Das innere Integral der Gleichung (k) stellt die integrale Konzentration quer zur Windrichtung dar, d.h.

-L

K(z) = / C(y,z) dy (5)

U-oO

es folgt

Q = Γ u(z) K(z) dz _t (6)

*J 0

Die Bestimmung von Κ(ζ) kann erfindungsgemäß durch irgendeines von verschiedenen mechanischen · Verfahren erfolgen. Jedes verwendet eine vertikale Anordnung von Abtastinstrumenten (entweder Sensoren und zugeordneten Geräten zur kontinuierlichen Konzentrationsaufzeichnung öder Probenauslässen mit zugeordneten Probeentnahmegeräten)an Punkten in verschiedenen Höhen über dom Boden, die an einem einzigen vertikalen Träger angeordnet sind. Der Träger wird quer zur Windrichtung in einem zweckmäßigen Abstand abwindseitig von der flüchtigen Quelle verschoben. In einigen Fällen, in denen die Emissionsgeschwindigkeit im wesentlichen konstand ist, kann ein einzelner Sensor oder Kollektor schrittweise transversal zu verschiedenen Höhen geführt werden.

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Falls die Probeneinrichtung quer zur Strömungsrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit verschoben wird, daß die Zerteilung der Konzentration quer zur Strömungsriclitung während dieser Bewegung als konstant angenommen werden kann, kann die gesamte angesammelte Schadstoffmenge in Relation zu der integrierten Konzentration quer zur Strömungsrichtung wie folgt gesetzt werden:

Es wird vorausgesetzt, daß eine Verteilung dex- Konzentration quer zur Strömungsrichtung gemäß Fig.2 existiert. Dabei wird ausgegangen von cincnr konstanten Abtastvo 1 umendurch— satz V und einer konstanten transversalen Geschwindigkeit ν des l'robenoinlassos, während die Verteilung C (y,z) der Konzentration quer zur Strömungsrichtung in einer Höhe ζ über dem Boden vorgenommen wird.

Beim Durchlaufen des Intervalles dy sammelt die Sonde ein Inkrement an Material entsprechend

dq = VC(y) dt (7)

dq = ^ ^Vy' dy (9)

und die durch die Sonde während der Transversalbewegung in der Höhe ζ gesammelte Schadstoffmenge beträgt

q(z) = I T⁰⁰CCy) dy (to)

U-oo

und unter Bezugnahme auf Gleichung (5)

= - K(z) (11)

Von diesem Ausdruck kann die quer zur Strömungsrichtung integrierte Konzentration ermittelt werden, wenn man die

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Menge des gesammalten Materiales , den ProbenvoLumen— durchfluß und die transversale Geschwindigkeit der Probeneinrichtung quer zur Strömungsrichtung kennt:

Im Falle von direkt anzeigenden Sensoren, bei denen das Material nicht physisch gesammelt wird, wird κ(ζ) direkt von der Messung dei- Konzentration über dem Abstand durch numerische Integration der aufgezeichneten Werte erhalten.

Indem gleichzeitig transversale Probenentnahmen bei einer Reihe von verschiedenen Höhen und eine gleichzeitige Messung des Profiles der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ■vorgenommen werden, erhält man unter Verwendung von Gleichung (6) die Geschwindigkeit der flüchtigen Emission:

V J

(z). q(z) dz (13)

Gleichung (13) wird numerisch berechnet unter Verwendung der beobachteten Werte von u und q in verschiedenen Höhen. Beispielswelse kann ein grafisches Verfahren verwendet werden. Das Produkt uq wird für jede Sondenhöhe berechnet, um Werte von M zu erhalten, welche als integrierte Flächenkonzentration quer zur Strömungsrichtung definiert werden und in Fig.3 aufgezeichnet sind. Die Kurvenform in Fig.3 entspricht einem Komplex von Quellenpunkten, wobei die Hauptemissionen in Höhen über dem Grundniveau erfblgen, Die Fläche unter der Kurve 3 kann gemessen werden, beispielsweise durch planimetrische Verfahren, um das Integral in Gleichung (I3) zu^r erhalten. Wenn dieser Wert mit v/V multipliziert wirdj wird die gewünschte fugitive Emissions— geschwindigkeit erhalten.

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Dia mechanischen Einrichtungen, um die gewünschten Werte von q durch die Verwendung von Sonden zu erhalten, können in verschiedener Weise aufgebaut sein, und deren Wahl hängt von den Umständen der jeweils betrachteten besonderen Situation ab. In jedem Fall ist in jeder Abtasthöhe ein Sondenkolloktor oder Sensor und eine Einrichtung zum Tragen der Abtasteinrichtungen erforderlich, um eine gleichzeitige oder schnell aufeinander folgende Transversalbewegung zu gestatten. Die Wahl der Sonde hängt von der Natur des Schadstoffes ab. Es können verschiedene mit Vakuum arbeitende, mit Flüssigkeit gefüllte Blasenkammern zum Sammeln gasförmiger Schadstoffe verwendet werden. ■Teilchenförmige Schadstoffe können gesammelt werden durch die Verwendung von Aufprall-Blasenkammern (impinger bubblers) Aufprallsonden oder Filtern. Alle diese Maßnahmen liegen im Rahmen der Erfindung.

Mechanische Systeme zur Ausführung der Erfindung umfassen:

a) eine Einrichtung zur Bewegung von Schadstoffmeß—oder Sammelgeräten quer zur Strömungsrichtung in einer Reihe von Höhen über dem Boden,so daß in hinreichender Weise die Vertikalausdehnung der Schadstoffwolke umfaßt wird,

b) eine Einrichtung zum Messen des Vertikalprofiles der Windgeschwindigkeit und Windrichtung über dem Höhenintervall, in welchem die Schadstoffprobenentnahme erfolgt.

Diese Bestandteile sind schematise]) in dem Sys torn diagramm in Flg. h dargesteilt.

Die Messung von Windprofilen kann durch herkömmliche Geräte erfolgen, beispielsweise durch tragbare,ausziehbare Masten

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zum Tragen von Sensoren für Windrichtung und Geschwindigkeit und entsprechende Aufzeichnungsgeräto. Auch können bekannte Pilotballon-Boobachtungssysteme verwendet werden, sowohl mit einzelnem Theodoliten als auch mit Doppel— Theodoliten, wonn llöhenintervalle über den praktischen Grenzen von leicht errichtbaren und tragbaren Trägerinasten für Geräte vorzunehmen sind. Solche Geräte sind verträglich mit der flexiblen und anpassungsfähigen Art des Meßsystemes für flüchtige Etnissionswerte entsprechend der Erfindung.

In Fig.h ist eine Verschmufrzungsmeßebene oder vertikale Abtastebene 11 dargestellt, die an einem bellobigen In— dexpunkt abwindseitig von einem flüchtigen. Quellbereich, beispielsweise einer Fabrik oder dergleichen, definiert ist. Es kann eine Anzahl von Abtastkollektoren oder Sensoren 16 auf einem vertikalen Träger Tl angeordnet sein, um Linien für transversale Abtastungen Innerhalb der vertikalen und seitlichen Begrenzungen der Verschmutzungsabtastebene zu definieren.

Diese Ebene kann quer zur Strömungsrichtung der Schadstoffwolke ausgerichtet werden durch eine Anzahl von Sensoren oder Anemomesser zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung des Windes, die auf einem Windprofilmast 10 montiert sind. Der Mast 10 kann innerhalb oder neben der Meßebene angeordnet sein.

Die Messung der quer zur Strömungsriehtung integrierten Konzentration und durch Transversalbewegungen von Sensoren oder Probenmeßgeräten quer zur Strömungsrichtung erfolgt durch eines der folgenden Verfahren. Diese Verfahren sind nur.beispielshalber und nicht abschließend angegeben und veranschaulichen die verschiedenen Mittel zur Realisierung des Verfahrens und der Technik gemäß dieser Erfindung.

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a) Wie in Fig.5 dargestellt ist, erfolgt die mechanische Lagerung der Probengeräte 16 durch die Verwendung eines Masten 14 , der vertikal auf einem Anhänger 18 durch Spannseile 20,22 befestigt ist. Der Anhänger 18 kann durch ein Motorfahrzeug 26 angetrieben werden. Es können herkömmliche Seilkupplungen 24 verwendet werden, um den Masten 14' bezüglich des Drehpunktes zu sichern und Probensatnmler 16' anzuordnen bzw. zu reparieren. Der Aufbau wird mit gleichförmiger Geschwindigkeit senkrecht zur mittleren Windrichtung bewegt. Auf dem Fahrzeug oder Anhänger können eine Vakuumpumpe oder ein Motor 30 angeordnet werden zum Absaugen der Probenkollektoren. Falls die verfügbaren Straßenschienen oder Wege nicht exakt rechtwinklig zur Windrichtung verlaufen, wird die rechtwinklige Komponente der Windgeschwindigkeit in jeder Höhe als Wert u(z) in Gleichung (ΐ3) verwendet.

b) In Fig. 6 ist gegenüber einem starren Tragmasten eine andere Ausführungsform dargestellt, wenn Messungen in größeren Höhen aufgrund der vertikalen Ausdehnung der Quelle vorgenommen werden müssen, als es mit einem beweglichen Masten ausführbar wäre. Hierzu wird ein mit einer Zugschnur 38 an einem Fahrzeug verbundener Ballon 36 verwendet. In diesem Fall ist die Abtastan-

. Ordnung an der Schnur 32 in geeigneten Höhen angeordnet, die mittels einer Winde 3^ eingestellt werden, und die zur Probensammlung erforderliche Valtuumleitung liegt parallel zu der Ballonschnur bzw. dem Ballonkabel 32 und ist an diesem befestigt. Wenn einzelne Motor- und Vakuumpumpengeräte 30 bei dem jeweiligen Ballonauftrieb .einsetzbar sind, wird längs des Fesselkabels eine elektrische Versorgungsleitung geführt.

c) Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform mit einem Hubschrauber 42 dargestellt, von welchem ein freies Ende

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k3 eines Kabels kO herabhängt, das die Sonden und die zugehörige Vakuumpumpe oder Versorgungsleitung trägt. Zvit· Stabilisierung des Kabelendes kann an diesem ein Ausgleichskörper 41 angeordnet sein. Der Hubschrauber fliegt ausreichend hoch über der untersuchten Wolke, so daß die durch dessen Rotor verursachten Luftturbulenzen nicht die Konzentrationverteilung stören.Natürlich hat der Abschnitt des Kabels 40 neben dem Hubschrauber keine Sensoren, so daß diese Rotortuibulenzen die Messung nicht beeinträchtigen.

d) In Fig.8 ist schematisch ein Flugzeug Ml mit unbeweglichen Flügeln dargestellt, welches eine einzelne Meßsonde oder einen Probensammler trägt und das Flugzeug kann nacheinander verschiedene Höhen durchlaufen. Dieses Verfahren ist nützlich, wenn die Ausdehnung der Verschmutzung swolke groß ist und die Emissionsgeschwindigkeit und die ¥indbedingungen hinreichend konstant sind, da die einzelnen Durchläufe nicht gleichzeitig durchgeführt werden können.

e) Gemäß Fig.9 kann die quer zur Strömungsrichtung integrierte Konzentration von Schadstoffen direkt gemessen werden ohne quer zur Strömungsrichtung traversieren und die Konzentration direkt messen oder Proben sammeln zu müssen, indem Infrarot-Absorptionsmethoden für längere Entfernungen verwendet werden. Bei diesen Verfahren werden zwei Gerätemasten 46,50 an den Enden einer Querstromlinie verwendet, wobei der Mast kG eine Reihe von vertikal im Abstand voneinander befindlichen Infrarotstrahlern aufweist. Dieaη erhalten derart ausgeh L Uloto Filter, daß abwechselnd in einem Frequenzbereich Strahlung abgegeben wird, welche selektiv von dem interessierenden Schadstoff und nicht von anderen atmosphärischen. Bestandteilen oder anderen möglichen Schadstoffen absorbiert wird und in einem Frequenzbereich Strahlung abgibt, die nicht durch den Schadstoff absorbiert wird. Der andere Mast kO ist

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— '-' 2 —

bezüglich des Mastes 48 ausgerichtet und trägt entsprechend abgestimmte Infrarotaufnehmer ^k, die innerhalb von Parabolspiegeln 52 angeordnet sind. Die Abschwächung der Infrarotstrahlung, die der Differenzenergie in den beiden von den Aufnehmern 5'+ empfangenen Frequenzbereichen entspricht, ist bezogen auf die Menge der Schadstoffe im Übertragungsweg und kann daher direkt in Beziehung gesetzt werden zu dem Wert der integrierten Konzentration quer zur Strömungsrichtung. Eine kontinuierliche Aufzeichnung der von den Empfängern aufgenommenen Infrarotstrahlung in den absorbierenden bzw. nicht-absorbierenden Frequenzbereichen erlaubt die Beurteilung des Verlaufes der zeitlich veränderlichen Emissionsstärke der Schadstoffquelle. Dieses Merkmal der Messung flüchtiger Emissionen ist nicht durch irgend ein anderes bekanntes Verfahren erreichbar. In all diesen Fällen wird ein Windstärke—Auf?eichnungssystem in der Nachbarschaft der Abtastlinie verwendet, um ein vertikales Profil der Richtung und. Geschwindigkeit des Windes über der jeweiligen Abtasthöhe zu erhalten, während die Abtastung stattfindet.

Durch wiedex'holte Durchgärige quer zur Steuerungsrichtung bei den verschiedenen vertikalen Anordnungen der Abtastinstrumente werden Schätzwerte der mittleren Emissionsgeschwindigkeit ur.d deren Änderung erhalten. Durch wiederholte Durchgänge können statistisch bedeutsame Mengen von Schadstoffen gesammelt werden, wenn Konzentrationswerte abgetastet werden müssen, die tief bezüglich der Empfindlichkeit des Meßgerätes sind.

Vergleichbare Transversalbewegungen quer zur Strömungsrichtung aufwindseitig von der Quelle werden beurteilt und dienen dazu, die Verteilung der eintreffenden Schadstoffe in bezug auf die auftretende Emissionsgeschwindig— keit zu ermitteln. Diese Ermittlung erlaubt die Ausschaltung von Störeffekten und unterscheidet sich vollständig in ihrer Anwendung, obwohl die zugrundeliegende Konzeption dem ähnlichen Ziel wie das vorgeschriebene Aufwind/Abwindverfahren dient.

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Claims

Patentansprüche

{ 1J Verfahren zum Quantifizieren der "flüchtigen" Emission von Schadstoffen einer Verschmutzungsquelle, dadurch gekennzeichnet,

daß die Geschwindigkeit und Richtung des Windes an einem Indexpunkt abwindseitig von einer Verschmutzungsquelle gemessen werden,

an diesem Indexpunkt eine Verschmutzungs- Meßebene definiert wird, welche rechtwinklig zur Windrichtung ausgerichtet ist,

die Verschmutzungskonzentration in einer Reihe von Höhenintervallen innerhalb der vertikalen und seitlichen Abgrenzungen der Verschmutzungs— Meßebene derart gemessen wird, daß integrierte Produkte aus der Seitenwindkonzentration und der Windgeschwindigkeit erhalten werden und

diese Meßwerte als vertikales Profil des gesamten Massendurchsatzes der Schadstoffe durch die Meßebene dargestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Quantifizieren der Emissionsrate in die TJmgebungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschmutzungs-Meßebene derart definiert wird, daß die vertikalen und seitlichen Abmessungen der Ebene einen wesentlichen Anteil des Schadstoffdurchsatzes umfassen, der von der Verschmutzungsquelle stammt.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßebene derart definiert wird, daß deren vertikale und seitliche Abmessungen mit dem vertikalen Profil des Verschniutzungsdurchsatzes zusammenfallen.

k. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Indexpurikt hinreichend nahe bei der Verschniutzungsquelle derart gewählt wird, daß das vertikale Profil des Schadstoffdurchsatzes in dinsor Meßobono ähnlich dem vertikalen Profil des Schadstof fdui"chsatzcs bei der Verschmutzungsquello ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz e i chn e t, daß der Wind, an verschiedenen Punkten im vertikalen Abstand voneinander innerhalb der Meßebene und mit dessen Achse ausgerichtet erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Messen der Schadstoffkonzentration in einer Reihe von Eöhenabschnittengleichzeitig bei voneinander im Abstand befindlichen vertikalen Punkten innerhalb der Meßebene erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz e i chn e t, daß das Messen innerhalb der seitlichen und vertikalen Abgrenzungen der Meßebene nacheinander quer zur Windrichtung innerhalb der Meßebene erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen durch Anheben und Bewegen der Meßeinrichtungen innerhalb

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der seitlichen und ν·. rtikalen Λbnicssungen dor Meßebene erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Infrarotmessung der Emissionsrate flüchtiger Schadstoffe vorgenommen wird.

1O. Verfallren nach Anspruch 9, dadurch g t? k ο ti η — zeichnet, daß die liifrarotincssung mit dem Zeitablauf korreliert wird als Maß für die Änderung der Emissionsstärke.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Inf rcir ο t messung sowohl mit mit dem Zeitablauf als auch mit der Windgeschwindigkeit korreliert wird als Maß für die Emissionsstärke.

12. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß abwindseitig gewonnene Meßwerte mit ähnlichen aufwindseitig gewonnenen Meßwerten verglichen werden als Maß für den eintreffenden Ver— schmutzungsdurchsatz gegenüber der auftretenden Emissionsrate der flüchtigen Substanzen.

13· Verfahren nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der Verschmutzun-gskonzentration schrittweise an vertikal im Abstand voneinander befindlichen Punkten innerhalb der Meßebene erfolgt.

lh. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Messen Vei vertikal im Abstand voneinander befindlichen Punktoii innerhalb der Meßebene dex-art erfolgt, daß die Mcßrbor.o von einer Seite zur anderen durchiaufer. wird.

909885/0B96

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch g «kennzeichnet, daO lias seitliche Durclilaafen der Meßebone mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß die Versclmritaungskoazeiitration ungefähr gleich bleibt. -■ .---'"

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschmutzungs-Meßebene entsprechend Änderungen der Windrichtung neu ausgerichtet wird.

909885/059G