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Einrichtung zur Konditionierung von Abgasen, insbesondere
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zur Verbesserung der Staubabscheidung in Elektrofiltern Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Konditionierung von Abgasen, insbesondere zur Verbesserung
der Staubabscheidung in Elektrofiltern, mit einer Verdampfungsstrecke vorgegebenen
Volumens und am Beginn der Verdampfungsstrecke angeordneten Düsen zum Eindüsen von
Wasser in das Abgas, denen ein verstellbares Absperrorgan zugeordnet ist.
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Aus der Praxis ist es bekannt, staubhaltige Abgase durch Wasserzusatz
so zu konditionieren, daß die Staubabscheidung in Elektrofiltern verbessert wird.
Dazu wird am Beginn einer Verdampfungsstrecke Wasser in das Abgas in einer solchen
Menge eingedüst, daß bei dem vorgesehenen BetrieDpunkt der betreffenden Anlage das
eingedüste Wasser vollständig verdampft, das Abgas dementsprechend nebelfrei ist,
d.h.
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praktisch ohne in ihm dispergierte Wassertröpfchen zum Elektrofilter
gelangt, und alle Anlagenteile ohne Feuchtigkeitsniederschläge bleiben. Die Menge
des eingedüsten Wassers beim Betrieb der Anlage ist durch ein einstellbares Absperrorgan
wählbar und ergibt sich aus der Regelung der Austrittstemperatur auf einen konstanten
Wert. Wenn allerdings der Betriebszustand sich ändert, wird im Hinblick auf das
vorhandene Verdampfungsvolumen bzw. dessen Durchsatzleistung entweder zu wenig oder
zu viel Wasser eingedüst, wobei im letzteren
Fall das unverdampfte
Wasser zu Nässe- bzw. Schlammbildung in der Anlage führt, während im ersten Fall
eine nur unvollkommene Konditionierung und Kühlung der Abgase stattfindet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das zur Verfügung stehende Verdampfungsvollumen
auch bei wechselnden Betriebszuständen optimal zu nutzen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Einrichtung der eingangs beschriebenen
Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das verstellbare Absperrorgan als Stellglied
in einen Regelkreis geschaltet ist, dessen Regelgröße die Feuchte des Abgases am
Ende der Verdampfungsstrecke ist. Damit läßt sich bei einem vorgegebenen bzw. installierten
Verdampfungsvolumen der Verdampfungsstrecke die einzudüsende Wassermenge so regeln
bzw. steuern, daß bei jedem sich in Strömungsrichtung vor den Düsen einstellenden
Betriebszustand die Verdampfung am Ende der Verdampfungsstrecke vollständig abgeschlossen
ist und das Abgas optimal konditioniert zum nachgeschalteten Elektrofilter gelangt.
Unabhängig davon können mit dieser Einrichtung Gase aber auch für alle auftretenden
Betriebszustände in optimaler Weise gekühlt werden. Nässe- bzw. Schlammbildung in
der Verdampfungsstrecke werden auf jeden Fall vermieden. Die Regelung arbeitet unabhängig
von der Art der jeweils eingesetzten Düsen bzw. Düsensysteme. Unter dem Begriff
Feuchte im vorstehenden Sinne werden die absolute Feuchtigkeit, die relative Feuchtigkeit
und/oder die Nebel feuchte mit im Abgas dispergierten Wassertröpfchen verstanden.
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Eine einfache Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß am Ende der Verdampfungsstrecke ein die Regelgröße erfassender Sensor angeordnet
ist, dessen Ausgangssignal den Ist-Wert für den Regelkreis liefert. Der Regler bildet
aus dem IstWert zusammen mit einem eingegebenen Soll-Wert das Signal, die dann das
Absperrorgan der Düsen steuert. Es handelt sich hierbei meist um einen Zweipunktregler.
Dabei kann mit geringem schaltungstechnischen Aufwand die Erfindungsaufgabe gelöst
werden.
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Für eine feinfühligere Regelung reicht es im allgemeinen aus, wenn.
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am Ende der Verdampfungsstrecke zwei in Strömungsrichtung der Gase
im Abstand hintereinander angeordnete, die Regelgröße erfassende Sensoren vorgesehen
sind, deren Ausgangssignale der Regelstrecke aufgeschaltet sind.
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Wenn die Meßsignale der beiden Sensoren, die nach Anspruch 4 ausgebildet
und gemäß Anspruch 3 angeordnet sind, nebelfreies Abgas anzeigen, wird zu wenig
Wasser eingedüst. Zeigen beide Sensoren nebelhaltiges Abgas an, ist die Wassereindüsung
zu groß. Dementsprechend reagiert der Regler mit einer Vergrößerung bzw. einer Verringerung
der Wasserzufuhr. Der erwünschte quasistationäre Zustand liegt dann vor, wenn der
in Strömungsrichtung des Abgases vordere Sensor nebelhaltiges Gas und der hintere
Sensor nebelfreies Gas anzeigt. Hierbei kann eine sehr einfache Regelanlage verwendet
werden.
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Die Empfindlichkeit der Regelung läßt sich weiter verbessern, und
insbesondere eine stetige Regelung im Stellbereich erzielen, wenn in Strömungsrichtung
vor den Düsen ein Temperaturfühler oder ein für die absolute oder relative Feuchtigkeit
des Abgases empfindlicher Sensor sowie ein Gasmengenmesser angeordnet sind, wenn
zwischen den Düsen und ihrem verstellbaren Absperrorgan ein Wassermengenmesser geschaltet
ist und wenn ein Prozessor zur Verarbeitung der am Anfang und am Enuß der Verdampfungsstrecke
anfallenden Meßsignale als Führungsgröße oes Regelkreises vorgesehen ist. Der Prozessor,
dem die physikalischen Parameter der zu behandelnden Gase analytisch oder grafisch
eingegeben worden sind, ermittelt aus den Meßwerten rechnerisch die Temperatur,
oder die absolute bzw. die relative Feuchtigkeit der Abgase am Ende der Verdampfungsstrecke
und vergleicht das Ergebnis mit dem betreffenden Meßwert am Ende der Verdampfungsstrecke.
Unter Vernachlässigung von Wärmeverlusten ist die für das Ende der Verdampfungsstrecke
errechnete Temperatur ein Minimalwert oder die (absolute bzw. relative) Feuchtigkeit
ein Maximalwert für den Fall, daß die Verdampfung des eingedüsten Wassers vollständig
abgeschlossen ist. Solange die gemessene Temperatur höher oder Feuchtigkeit niedriger
ist als die errechnete, wird zuviel Wasser ein-
gedüst, so daß das
vom Regler bzwicvom Prozessor, wenn dieser auch die F-unktion-des Reglers über'nimmt',erzeugte
Ausgangssignal zu einer Ansteuerung des Absperrorgans in dem Sinne führt, daß die
eingedüste Wassermenge reduziert wird. Wenn die errechnete und die gemessene Temperatur
bzw. die (absolute bzw. relative) Feuchtigkeit Ubereinstimmen; steuert der Regler'dte
Einrichtung so, daß die Wassermengenrate erhöht wird.
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Als Sensor zum Nachweis, ob in staubhaltigen Gasen mit hoher Temperatur
Wassernebel, d.h.im Abgas disper-gierte Wassertröpfchen, vorhanden ist,- hat sich
eine Vorritchtung als besonders geeignet erwiesen, bei der mindestens zwei) vorziIgsweise
stabartige metallische Meßelektroden mit gegenseitigem abstand i-n-einem Isolierkörper
gehaltert sind und im Bereich des Elektrodenaustritts aus dem Isolierkörper eine
Vertiefung zur Aufnahme von Abgasstaub vorhanden ist.
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Weitere Ausgestaltungen eines derartigen Nebelsensors sind den Unteransprüchen
9 bis 12 zu entnehmen. Im Bereich der Elektrodenhalterung in einer Isoliermasse
sammelt sich Staub aus dem Abgas an, so daß die Zustandsübergänge nebelfreies nebehaltiges
Abgas zuverlässig ermittelt werden können, weil dabe'i die Leittfähigkeit zwischen
den beiden Elektroden sich sprunghaft- ändert -entsprechend dem zugeordneten Zustand
trockener oder feuchter Stauboberfläche. Entsprechende Sensoren üblicher Bauart
haben unter den herrschenden Betriebsbedingungen hoher Feuchtigkeit, hohen Staubanfalles,
hoher Temperatur und hoher Strömungsgeschwindigkeit den Nachteil mangelhaft reproduzierbarer
Meßergebnisse sowie kurzer Lebensdauer und sie bedürfen regelmäßig besonderer Schutzmaßnahmen.l
Im folgenden werden anhand der Zeichnung A:LlsführungSbei'spiele der Erfindung erläutert;
es zeigen / Fig. 1 in schematischer Darstellun"g -eine Einrichtung zur Konditionietung
von Abgase mit einer stetigen Regelung, Fig. 2 schematisch eine einfachere Ausführungsform,
Fig. 3 einen Sensor für den Nachweis nebeihaltiges/nebelf'reies Abgas.
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An eine Abgasleitung 1 für staubbeladene Abgase schließt sich eine
Verdampfungsstrecke 2 an, die einen gegenüber der Abgasleitung 1 größeren Querschnitt
aufweist. Das Ende der Verdampfungsstrecke 2 geht in eine weiterführende Abgas leitung
3 über, die beispielsweise an ein nicht dargestelltes Elektrofilter angeschlossen
ist. Am Beginn der Verdampfungsstrecke 2 sind Düsen 4 angeordnet, denen über eine
Leitung 5 mit einstellbarem Absperrorgan 6 Wasser zugeführt wird, welches in das
Abgas eingesprüht wird. Das Absperrorgan 6 besitzt einen Antrieb 7, der über ein
Steuergerät 8 angesteuert ist.
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Damit bei einem vorgegebenen bzw. installierten Volumen der Verdampfungsstrecke
2 eine maximale Wassermenge in, das heiße Abgas eingedüst werden kann und diese
Wassermenge am Ende der Verdampfungsstrecke vollständig verdampft ist, sind mehrere
Meßstellen und ein Regelkreis vorgesehen. Im übergangsbereich zwischen Abgas leitung
1 und Verdampfungsstrecke 2 sind in Strömungsrichtung vor den Düsen 4 jeweils ein
Gasmengenmesser 9 und ein Temperaturfühler (Sensor 10) angeordnet. Am Ende der Verdampfungsstrecke
2 befindet sich im übergangsbereich zu der weiterführenden Abgasleitung 3 ebenfalls
ein Temperaturfühler (Sensor 11). Ferner ist ein Wassermengenmesser 12 in die Leitung
5 zwischen Düsen 4 und Absperrorgan 6 geschaltet. Die Ausgänge aller dieser Meßgeräte
bzw. Sensoren sind zu einem Prozessor 13 geführt, der die eingehenden Meßsignale
verarbeitet und daraus ein Signal bildet, das das Steuergerät 8 des Antriebs 7 für
das Absperrorgan U beaufschlagt. Da der Prozessor 13 beim dargestellten Ausführungsbeispiel
gleichzeitig auch die Funktionen eines Reglers übernimmt, ist insoweit ein Regelkreis
gebildet, der dafür sorgt, daß am Ende der Verdampfungsstrecke 2 das eingedüste
Wasser vollständig verdampft ist. Die Regel einrichtung ist unabhängig von der Art
der verwendeten Düsensysteme 4 und von der Form und Größe der Verdampfungsstrecke
2.
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Der Regelkreis arbeitet wie folgt: Dem Prozessor 13 sind die physikalischen
Parameter des zu behandelnden Abgases einprogrammiert.
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Unter Berücksichtigung dieser Daten und aus den eingehenden Meßsignalen
ermittelt der Prozessor rechnerisch die bei vollständiger Ver-
dampfung
am Ende der Verdampfungsstrecke 2 zu erwartende Abgastemperatur, insbesondere aufgrund
der Gaseingangstemperatur und der Temperaturabnahme zufolge der Verdampfung der
eingedüsten Wasserströpfchen, und vergleicht diese mit dem Meßsignal des Temperatursensors
11. Solange die gemessene Temperatur höher ist als die errechnete, wird zuviel Wasser
eingedüst. Der Prozessor 13 gibt dementsprechend ein Ausgangssignal ab, das über
das Steuergerät 8 und den Antrieb 7 das Absperrorgan 6 so verstellt, daß die eingedüste
Wassermenge reduziert wird, bis die gemessene Temperatur am Ausgang der Verdampfungsstrecke
2 mit dem rechnerisch ermittelten Wert übereinstimmt.
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Bei Übereinstimmung von errechneter und gemessener Temperatur wird
die Wassermengenrate ggf. stufenweise gesteigert, bis eine Abweichung dieser beiden
Temperaturwerte sich einstellt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die optimale Konditionierung
der Abgase in der Weise eingestellt, daß am Ende der Verdampfungsstrecke 2 zwei
Sensoren in Strömungsrichtung der Gase hintereinander angeordnet sind. Diese Sensoren
14,15 ermitteln die Zustände nebelfreies Abgas bzw. nebelhaltiges Abgas. Wenn beide
Sensoren nebelhaltiges Abgas feststellen, wird zuviel Wasser eingedüst; wenn beide
Sensoren nebelfreies Abgas anzeigen, wird zu, wenig Wasser eingedüst. Die richtige
Konditionierung liegt vor, wenn der vordere Sensor 14 nebelhaltiges und der hintere
Sensor 15 nebelfreies Abgas anzeigen. Der Regelkreis enthält im Eingang einfache
binäre Schaltglieder: Die beiden Meßsignale an den Leitungen 16,17 werden einem
ersten UND-Gatter 18 zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal über die Leitung
19 am Steuergerät 8 liegt. Beide Meßsignale liegen weiterhin an einem zweiten Gatter
20, in dem beide Eingangssignale "negiert sowie "und" verknüpft werden, und dessen
digitales Ausgangssignal über die Leitung 21 am Steuergerät liegt. Das digitale
Ausgangssignal "1" am Gatter 18 entspricht dem Zustand "die beiden Sensoren 14,15
messen nebelfreies Abgas und bewirkt über das Steuergerät 8 und den Motor 7 eine
vorbestimmt erhöhte Wassereindüsung.
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Das digitale, invertierte Ausgangssignal 111 11 am Gatter 20 entspricht
dem Zustand die beiden Sensoren 14,15 messen nebelhaltiges Abgas" und bewirkt infolge
entgegengesetzter Drehrichtung des Motors 7 eine vorbestimmt verringerte Wassereindüsung.
Die richtige Abgaskonditionierung mit der Sensor 14 mißt nebelhaltiges, der Sensor
15 mißt nebelfreies Gas, ergibt an den beiden Leitungen 19,21 die beiden digitalen
Signale"O; O", so daß die eingedüste Wassermengenrate unverändert bleibt.
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Die Nebelsensoren 14,15 nach Fig. 2 sind in Fig. 3 im einzelnen näher
dargestellt. Zwei stabartige Meßelektroden 22,23 sind mit einem Abstand von 25 mm
in Isoliermasse 24 aus gestampfter Schamotte eingebettet, die in das stirnseitige
zentrische Sackloch eines Haltekörpers 25 mit einem Durchmesser von 80 mm eingebracht
ist. Die nach außen gerichtete Oberfläche der Isoliermasse 24 liegt um beispielsweise
5 mm tiefer als die Stirnfläche des Sachloches, so daß ein bundartig umrahmter Raum
26 entsteht, der sich mit Staub aus dem Abgas zusetzt. Zwei Meßleitungen 27 mit
aus einem Transformator 28 eingeprägter Spannung führen zu einem Meßpotentiometer
29, an dem das Ausgangssignal abgegriffen werden kann. In die Schamotteschicht ist
nahe deren Oberfläche ein elektrisch gespeistes Heizelement 30 angeordnet.
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Es hat sich gezeigt, daß die Staubschicht sehr gut reproduzierbare
Meßergebnisse hinsichtlich der Zustände nebelfreies bzw. nebelhaltiges Abgas ergibt.
Der Obergang von nebelfreiem zu nebelhaltigem Abgas führt zu einer mehr oder weniger
oberflächlichen Anfeuchtung der Staubschicht derart, daß mit ausreichend kurzer
Verzögerung die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektroden sprunghaft
sich erhöht und ein entsprechend sprunghaft verändertes Meßsignal erhalten wird.
Andererseits sorgt die hohe Temperatur der Abgase ggf. unter Zuhilfenahme des Heizelements
dafür, daß auch der über gang von nebelhaltigem Abgas zu nebelfreiem Abgas ausreichend
verzögerungsarm durch eine stark verminderte Leitfähigkeit zwischen den Elektroden
im Meßsignal feststellbar ist. Die stabartige Ausbildung der Elektroden erhält die
Betriebsfähigkeit des Sensors auch
dann, wenn sich zwischen den
Elektroden eine Staubmasse vorbaut.
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In diesem Fall gelangt man ebenfalls zu gut reproduzierbaren, nicht
nachteilig beeinträchtigten Meßergebnissen.
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BEZUGSZETCllENLISTE 1 Abgasleitung 2 Verdampfungsstrecke 3 Abgasleitung
4 Düsen 5 Leitung 6 Absperrorgan 7 Antrieb 8 SteuergerXt 9 Gasmengenmesser 10 Temperatur-
oder Feuchtigkeitsfühler (Sensor) 11 Temperatur- oder Feuchtigkeitsfühler (Sensor)
12 Wassermengenmesser 13 Prozessor 14 Nebelsensor 15 Nebelsensor 16 Leitung 17 Leitung
18 UND-Gatter 19 Ausgangsleitung von 18 . negierendes UND-Gatter 21 Ausgangsleitung
von 20 22 Meßelektrode 23 Meßelektrode 24 Isoliermasse 25 Haltekörper 26 Stirnfläche
27 Meßleitungen 28 Transformator 29 Meßpotentiometer 30 Heizelement
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