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Verfahren und Einrichtung zur Unterschung eines
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Gasstromes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitativen und/oder
quantitativen Bestimmen von gasförmigen und/ oder (als staubförmige Partikel vorhandenen)
festen Bestandteilen eines Gasstromes, insbesondere eines Abgasstromes, bei dem
dem zu untersuchenden Gasstrom eine Gasprobe entnommen wird, die Gasprobe gefiltert
und kondensiert wird und die kondensierte Gasprobe wenigstens einer anschließend
zu analysierenden Sorptionsstufe zugeführt wird und danach entweder in den Gasstrom
zurückgeführt oder in die Umgebung abgegeben wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zum qualitativen
und/oder quantitativen Bestimmen von gasförmigen und/oder festen Bestandteilen eines
Gasstromes, insbesondere eines einen Abgaskanal durchströmenden Abgasstromes, mit
einer in dem zu untersuchenden Abgasstrom anzuordnenden Entnahmedüse od.dgl., wenigstens
einer der Entnahmedüse nachgeordneten Filtereinheit, einem zwischen der Entnahmedüse
und einer Kondensations-Abscheidungseinheit angeordnete Sonde sowie wenigstens einer
der Kondensations-Abscheidungseinheit nachgeordneten Sorptionseinheit und einer
Analyseeinrichtung.
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Obwohl die Untersuchung von Abgasströmungen od.dgl. im Hinblick auf
deren qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung bereits seit Jahrzehnten
von Interesse ist, ist dieses Interesse in den vergangenen ein bis zwei Jahrzehnten
bekanntlich durch das gestiegene Umweltbewußtsein erheblich gewachsen. Insbesondere
geht es nicht mehr wie in früheren Jahren mehr oder weniger ausschließlich um die
Bestimmung von beispielsweise in einem Abgas als staubförmige Partikel enthaltenen
festen Bestandteilen, um danach ggf. über Maßnahmen wie insbesondere Filterungen
zu entscheiden, mittels derer eine Verschmutzung der Umwelt zu verhindern bzw. zumindest
beachtlich zu reduzieren ist, sondern es geht insbesondere seit den erschreckenden
Erkenntnissen über das Waldsterben und ähnlichen Vorkommnissen in einem verstärkten
Maße auch um gasförmige Bestandteile von in die Umgebung entweichenden Gasströmen.
Dabei bereiten insbesondere derartige quantitative Untersuchungen, die mit hinreichenden
Genauigkeitsansprüchen durchgeführt werden sollen, deshalb besondere Schwierigkeiten,
weil die aufzuspürenden Stoffe schon in ganz erheblicher Verdünnung, d.h. also bei
einem Auftreten lediglich in Spuren, von
beachtlicher schädlicher
Wirkung sein können, und weil demgemäß dafür Sorge getragen werden muß, daß die
Meßergebnisse die tatsächlichen Verhältnisse auch tatsächlich mit relativ großer
Genauigkeit wiederspiegeln. Dabei dürfen mithin einerseits von einer entnommenen
Probe keine Bestandteile in einem beachtlichen Ausmaße bei der Messung untergehen,
so daß sie nicht detektiert werden, und es darf andererseits nicht dazu kommen,
daß die Messung selbst ein Meßergebnis dadurch verfälscht, daß von der Meßeinrichtung
selbst stammende Materialteilchen - sei es auch nur als Spurenelemente - in die
zu messende Materie gelangen und als (tatsächlich nicht vorhandener) Bestandteil
des Gasstromes festgestellt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung der oben beschriebenen
Gattungen zu schaffen, mittels derer sichergestellt ist, daß bei einer qualitativen
oder quantitativen Bestandteilsbestimmung eines zu untersuchenden Gasstromes die
Meßergebnisse nicht durch die Meßeinrichtung verfälscht werden, indem sich von dieser
Teilchen ablösen und demgemäß in das Meßergebnis mit eingehen, oder in den tatsächlich
in einer Gasprobe enthaltene Bestandteile während einer Untersuchung verlorengehen
und demgemäß undetektiert bleiben.
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Als Lösung des verfahrensmäßigen Teils der obigen Aufgabe ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die entnommene Gasprobe von der Entnahmestelle bis zur Rückführ-
bzw. Abgabestelle im wesentlichen ausschließlich über ein aus Silicaten oder/und
Boraten (oder/und Phosphaten) des Natriums oder/und des Kaliums oder/und des Magnesiums
oder/und des Aluminiums oder/und des Bariums oder/und ggf.
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des Zinks bestehendes Kontaktmaterial der Führungs- oder/
und
Untersuchungsflächen geleitet wird.
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Obwohl sich bei einer Vielzahl systematischer Untersuchungen herausgestellt
hat, daß beispielsweise gewisse Keramikmaterialien grundsätzlich die hier zu stellenden
Anforderungen zumindest weitgehend erfüllen - zumindest soweit diejenige Anforderung
betroffen ist, gemäß welcher sich von der Meßeinrichtung kein Kontaktflächenmaterial
ablösen soll, was zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen kann -haben sich
Keramiken wegen ihrer in aller Regel vorhandenen gewissen Porosität im Hinblick
auf die zweite o.g.
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Anforderung als noch nicht optimal herausgestellt, da aus Keramik
bestehende Kontaktflächen letztlich dann doch noch an ihrer dem zu untersuchenden
Gas zugekehrten Seite mit einer völlig unporösen Beschichtung entsprechender Zusammensetzung
versehen werden müssen, wofür sich erfindungsgemäß Glaskeramik oder insbesondere
Glas als hervorragend geeignet herausgestellt hat. Schon aus Wirtschaftlichkeitsgründen
sieht die Erfindung indes (bzw. demgemäß) höchst bevorzugt vor, daß das Kontaktmaterial
der Kontaktflächen aus Glas besteht, wobei eine höchst bevorzugte Ausgestaltung
hierbei darin besteht, daß die weiter unten noch im einzelnen erörterten entsprechenden
Teile der Meßeinrichtung, die bei einer Messung mit der Gasprobe in Berührung kommen
bzw. zumindest mit dieser in Berührung kommen können, ganz und gar aus Glas bestehen,
also nicht lediglich an ihren Kontaktflächen glasbeschichtet sind, was indes wiederum
zumindest bei bestimmten Bestandteilen einer geeigneten Meßeinrichtung eine gewisse
äußere Armierung nicht etwa ausschließt, wie weiter unten noch dargelegt ist. Falls
bestimmte Teile der Meßeinrichtung aus bestimmten Gründen konstruktiv so kompliziert
sind, daß eine Fertigung aus
Glas und ggf. selbst eine Kontaktflächenbeschichtung
aus Glas einen unverhältnismäßig großen Aufwand erfordert, wie dieses beispielsweise
bei dem aus der Entnahmedüse um der Filtereinheit bestehenden sog. Filterkopf der
Fall sein kann, so kann insbesondere für derartige kompliziert ausgebildeten Teile,
die (beispielsweise im Gegensatz zu der häufig mehrere Meter langen Sonde) dem zu
untersuchenden Gas keine all zu große Kontaktfläche bieten, im Wege einer meßtechnisch
vertretbaren Kompromisse ein meßtechnisch neutrales Material wie beispielsweise
Titan Verwendung finden, welches nicht zu einer Kontermination der Proben führt
und im Hinblick auf die Genauigkeit der letztendlich analysierten Gasbestandteile
lediglich zu einer inkaufnehmbaren Genauigkeitseinbuße dadurch führt, daß diese
kontaktflächenmäßig nicht sonderlich ins Gewicht fallenden Teile der Meßeinrichtung
mit den zu verwendenden, relativ aggressiven Spülmitteln wie z. B. konzentrierbar
Salpetersäure, nicht spülbar sind.
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Zwecks Optimierung der zu erzielenden Ergebnisse und damit zugleich
der erfindungsmäßigen Lösung der obigen Aufgabe ist bevorzugt vorgesehen, daß das
Glas der Kontaktflächen kein Arsen, Beryllium, Blei, Chrom, Kobald, Nickel, Antimon,
Cadmium, Kupfer, Mangan, Quecksilber, Selen, Tellur, Thallium, und/oder Vanadium
im Kontaktflächenmaterial enthält.
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Die Lösung des einrichtungsmäßigen Teils der obigen Aufgabe besteht
erfindungsgemäß darin, daß die mit einer entsprechenden Gasprobe in Berührung kommenden
Kontaktflächen der Entnahmedüse oder/und der Filtereinheit oder/und der Sonde oder/und
der Kondensations-Abscheidungseinheit oder/ und der Sorptionseinheit sowie ggf.
vorhandener Leitungsabschnitte zwischen den vorstehenden Einheiten bzw. Bauelementen
im
wesentlichen ausschließlich aus einem aus Silikaten oder/und Boraten (oder/und Phosphaten)
des Natriums oder/und Kalium oder/und Magnesiums oder/und Aluminiums oder/und Bariums
oder/und ggf. Zinks bestehendem Kontaktmaterials bestehen und bevorzugt so ausgebildet
sind, wie weiter oben bereits unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert worden ist.
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Da die in bekannter Weise bevorzugt rohrförmig ausgebildete Sonde
im Hinblick auf die lichten Dimensionen industrieller Abgaskanäle od.dgl. notwendigerweise
häufig (bzw. sogar in aller Regel) eine erhebliche Länge aufweisen muß, die dann
mithin unter Umständen Größenordnungen größer ist als ihr Durchmesser, und da dieses
bei einer Ausbildung der Sonde aus Glas bei einer vernünftigen Dimensionierung (bei
welcher u.a. nicht zuletzt stets auch Kostengesichtspunkte eine Rolle zu spielen
haben) zu erheblichen Fertigkeitsproblemen führen kann, kann die Sonde in bevorzugter
Ausgestalung der vorliegenden Erfindung von einem aus Stahl od.dgl. bestehenden
Stützrohr (ggf. unmittclbar) umgeben sein, wobei das Stützrohr in weiterer Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung fest mit der Kondensations-Abscheidungeinheit verbunden
sein kann.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung weiter erläutert.
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Die Zeichnung zeigt ohne die Analyseeinrichtung in einer zwecks Verdeutlichung
der Erfindung stark schematisierten Weise ine erfindungsgemäße Einrichtung zum quantitativen
(und damit selbstverständlich gleichzeitig auch zum qualitativen) Bestimmen von
gasförmigen und festen Bestandteilen
eines in Richtung des Pfeiles
1 durch einen Abgaskanal 2 strömenden Abgases, wobei der Abgaskanal 2 von der Innenwandung
3 eines Schornsteins 4 gebildet bzw. begrenzt ist, der in der Zeichnung im Schnitt
(schraffiert) angedeutet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt
der lichte Innendurchmesser D des Schornsteins 4 etwa 5 m.
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Die im ganzen mit 6 bezeichnete (Meß-)Einrichtung weist eine Entnahmedüse
7 auf, in welche ein Teil der Abgasströmung 1 (also die Gasprobe) einströmt bzw.
mittels welcher die Gasprobe gleichsam "eingefangen" wird, die von der Entnahmedüse
7 über einen Leitungsabschnitt 8 einer Filtereinheit 9 zugeführt wird, mittels welcher
die staubförmigen Feststoffbestandteile der Gasprobe
aufgefangen
werden. Von der Filtereinheit 9 strömt die gefilterte Gasprobe über einen Leitungsabschnitt
11 in eine Sonde 12. Die Sonde 12 besitzt im Hinblick auf den erheblichen Durchmesser
D des Abgaskanals 2 eine beträchtliche Länge von einigen Metern, während ihr lichter
Durchmesser lediglich 10 mm beträgt. Aus diesem Grunde ist die aus bleifreiem Glas
bestehende, außerdem weder Arsen noch Beryllium noch Chrom noch Kobald noch Nickel
noch Antimon noch Cadmium noch Kupfer noch Mangan noch Quecksilber noch Selen noch
Tellur noch Thallium noch Vanadium enthaltende Sonde 12 mit einem Stützmantel 13
aus Stahl versehen, der in Anpassung an die Sonde 12 ebenfalls rohrförmig ausgebildet
ist£. Der Stützmantel 13 ist seinerseits fest mit einer der Sonde 12 nachgeordneten
Kondensations-Abscheidungseinheit 14 verbunden, welcher eine im ganzen mit 16 bezeichnete
Sorptionsstation nachgeordnet ist, die aus mehreren einander in Reihe nachgeordneten
Sorptionseinheiten 16.1 bis 16.4 besteht. Die Sorptionsstation 16 und die Kondensations-Abscheidungseinheit
14 befinden sich in einem thermisch hochwertig isolierten Gehäuse 17, welches mit
einem Kältemittel zu beschicken ist. Hierbei handelt es sich zunächst einmal um
ein von einer hochwertigen Thermoisolierung 19 umgebenes Eisbad 18, in dem die Sorptionseinheiten
16.1 bis 16.4 angeordnet sind, sowie bezüglich der Kondensations-Abscheidungseinheit
14 um einen aus Kühlwasser bestehendem Kühlmittelstrom, der im Gegenstrom zu der
Gasprobe durch die Kondensations-Abscheidungseinheit 14 strömt, wobei die Kühlwasser-Vorlaufleitung
in der Zeichnung ebenfalls strichpunktiert dargestellt und mit 23 bezeichnet ist.
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Die Gasprobe tritt schließlich durch einen Leitungsabschnitt 24, in
dem ein Sauggebläse 26 angeordnet ist, aus
dem Gehäuse 17 und damit
letztlich aus der Meßeinrichtung 6 wieder aus, um sodann in Richtung des Pfeiles
27 entweder in den Gasstrom 1 zurückgeleitet zu werden oder aber in die Umgebung
abgegeben zu werden. Letztes wird in aller Regel bevorzugt, um eine Verfälschung
der Abgasströmung 1 (aufgrund einer entsprechenden "Verdünnung") durch die zurückgeführte
Gasprobe auszuschließen.
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Es sei noch darauf verwiesen, daß die Leitungsabschnitte 8, 11,...24,
und die Kontaktflächen derKondensations-Abscheidungseinheit 14 sowie der Sorptionseinheiten
16.1 bis 16.4 aus dem gleichen Material bestehen wie die Sonde 12, also aus einem
Glas, welches von den oben im einzelnen genannten Bestandteilen wie Arsen, Blei
etc, frei ist, während die relativ kleine Düse 7 und die Filtereinheit aus Titan
bestehen.
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Um an verschiedenen Stellen des Abgaskanals 2 Messungen durchführen
zu können und dabei letztlich zu repräsentativen Aussagen zu kommen, ist die Sonde
12, 13 mit der Düse 7 relativ zum Schornstein 4 horrizontal verfahrbar.
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Hierfür erstreckt sich die Sonde 12, 13 durch eine öffnung 28 des
Schornsteins 4 hindurch.
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Die Arbeitsweise der vorstehend anhand der Zeichnung beschriebenen
Einrichtung ist wie folgt: Nach Montage der Meßeinrichtung 6 an einer vorgegebenen
Meßstelle des Abgaskanals 2, deren Koordinaten durch den Ort der Entnahmedüsen 7
bestimmt werden, wird aus der in Richtung der Pfeile 1 strömenden Abgasströmung
mittels der Entnahmedüse 7 der Meßeinrichtung 6 eine Gasprobe aufgefangen, die von
der Entnahmedüse 7 über den aus Glas bestehenden Leitungsabschnitt 8 zunächst
einmal
in die Filtereinheit 9 gelangt, wo die staubförmigen Partikel herausgefiltert werden,
sodann in die armierende Glassonde 12, von dieser in die Kondensations-Abscheidungseinheit
14, wo das mittels des Kühlmittelstroms 21 im Gegenlauf indirekt gekühlte, zu untersuchende
Gas kondensiert und in kondensierter Form der Sorptionsstation 16 zugeleitet wird,
in deren Sorptionseinheiten 16.1 bis 16.4 jeweils bestimmte Stoffe absorbiert werden,
die danach zu analysieren sind. Die von den Feststoffpartikeln und den absorbierten
Stoffen befreite Gasprobe wird sodann letztlich gemäß dem Pfeil 27 an die Umgebung
abgegeben.
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Da die mit der Gasprobe in Berührung kommenden Kontaktflächen im wesentlichen
aus Glas bestehen, kann es nicht zu einer störenden Infiltrierung von Spurenelementen
aus der Meßeinrichtung 6 in die Gasprobe kommen, so daß die Gasprobe von der Meßeinrichtung
6 nicht verfälscht wird.
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Darüber hinaus hat das gewählte Glasmaterial den großen Vorzug, daß
die gas leitenden Teile am Ende einer Gasprobe mit einem hochreinen, neutralen Spülmittel
(z.B. Salpetersäure) gespült und vor quantitativer Bestimmung der Probe zugeführt
werden können, ohne daß mithin beachtliche Spuren in der Meßeinrichtungzurückbleiben.
Dieses hat sich als höchst zweckmäßig, eigentlich unverzichtbar herausgestellt,
da aufgrund der gegebenen Dimensionen (z.B. die lange Sonde etc.) Kontaktflächen
beachtlicher Größe während der Probenentnahme und -untersuchung von dem zu untersuchenden
Gas beaufschlagt werden, so daß nicht zu vermeiden ist, daß sich gewisse Spurenelemente
an den Glaswandungen der Sonde etc. absetzen, die anderenfalls bei der quantitativen
Bestimmung der Probe verlorengehen würden.
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Insgesamt ist mit der Erfindung sowohl verfahrens- und auch einrichtungsmäßig
eine hervorragende Möglichkeit geschaffen worden, mittels welcher Gasströmungen
der hier in Rede stehenden Art mit zunächst unglaublich erscheinender Genauigkeit
untersucht werden können. Trotz dieser hervorragenden Ergebnisse ist die erfindungsgemäße
Meßeinrichtung vergleichsweise einfach aufgebaut und demgemäß relativ preiswert.
Darüber hinaus ist ihre Bedienung relativ einfach, was insbesondere für Reihenuntersuchungen
an zahlreichen Meßstellen und wiederum insbesondere bei kontinuierlichen Uberwachungs-Untersuchungen
von größtem Interesse ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE (LIST OF REFERENCE NUMERALS) 1 Pfeil (= Abgasströmung)
1 2 Abgaskanal 3 Innenwandung (von 4) 4 Schornstein 4 5 -6 (Meß-) Einrichtung 6
Entnahmedüse 8 Leitungsabschnitt 8 9 Filtereinheit 9 10 - 10 11 Leitungsabschnitt
11 12 Sonde 12 13 Stützmantel (für 12) 13 14 Kondensations-Abscheidungseinheit 14
15 - 15 16 Sorptionsstation / 16.1 - 16.4 Sorptionseinheiten 16 17 Gehäuse (für
14, 16) 17 18 Eisbad 18 19 Thermoisolierung (für 18) 19 20 - 20 21 Kühlmittelstrom
(für 14) 21 22 Kühlwasser-Verlaufleiunq 22 23 Kühlwasser-Rücklaufleitunq 23 24 Leitungsabschnitt
24 25 - 25 26 Sauggebläse 26 27 Pfeil 27 28 - 28 29 - 29-30 30
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