DE3816680C2 - Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften gasgetragener Feststoffaerosole in Hochtemperaturzonen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften gasgetragener Feststoffaerosole in Hochtemperaturzonen z. B. den Verweilzeiten von Feststoffteil­ chen im Abgasstrom bzw. in Komponenten von Abgaszügen von Verbrennungsanlagen unter Verwendung von radioaktiven Tracern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Durchführung von Verweilzeitmessungen in Mehrphasenströmungen (Gas/Fest) speziell in Hochtemperaturzonen, wie z. B. Strahlungszügen oder Kesselzonen von Verbrennungsanlagen, sowie Komponenten der Rauchgasabreinigung, wie Zyklone, E-Filter, Gewebefilter, Wäscher, oder Sprühtrockner unter Verwendung radioaktiver Tracer bzw. Indikatoren.

Zur Untersuchung von solchen Abgasströmen ist eine Injizierung mit gasförmigem Helium als Tracer für die Gasphase bekannt. Danach wird innerhalb des Abgaszuges nach einer Probenahme massenspektrometrisch detektiert. Eine solche Multidetektion an mehreren Probenahmestellen erfordert nun einen beachtlichen meßtechnischen Aufwand, wenn eine simultane Beprobung durchge­ führt werden muß.

Aus der JP 45-29477 B ist weiterhin bekannt, eine Tracerlösung in ein Abgas einzusprühen und die Lösung durch Sprühtrocknung im zu untersuchenden Gasstrom selbst zu trocknen.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung von bestimmten Eigenschaften gasgetragener Feststoffaerosole im Hochtemperaturbereich z. B. einer Müllverbrennungsanlage anzugeben. Dabei soll vor allem die simultane Messung von Gas- und Partikelverweilzeiten im Hochtemperaturbereich der Müllverbrennungsanlage im Hinblick auf den Nachweis von minimalen Ausenthaltszeiten ermöglicht werden. Diese Aufenthaltszeiten spielen eine Rolle im Hinblick auf die Bildung und Zerstörung von bestimmten organischen Schadstoffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches vor.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegebene Methode er­ laubt nun kurzzeitige, hochkonzentrierte und wiederholbare Markierungsstöße eines Hochtemperaturgasstromes und in Verbin­ dung mit einer Multidetektormeßtechnik die simultane, berüh­ rungslose Erfassung von Verweilzeitverteilungen im stromab­ wärts gelegenen Teil der Heißgasströmung bzw. eines Rauchgas­ systemes.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden und anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Injiziereinrichtung, mit welcher ein Tra­ cer gemäß dem neuen Verfahren eingespritzt wird.

Das Verfahren dient zum Bestimmen von verschiedenen Eigen­ schaften gasgetragener Feststoffaerosole in Hochtemperaturzo­ nen, z. B. den Verweilzeiten von Feststoffteilchen im Abgas­ strom bzw. in Komponenten von Abgaszügen einer in der Figur nicht dargestellten, bekannten Verbrennungsanlage unter Ver­ wendung von radioaktiven Tracern, bzw. der sogen. Tracertech­ nik. Diese Tracer werden an verschiedenen Stellen des Abgaszu­ ges in die zu untersuchende Strömung eingespritzt. Danach wird ihre Verteilung hinter der Einspritzstelle mittels an defi­ nierten Stellen angebrachten Detektoren bestimmt. Der Tracer wird in Form einer Salzlösung zusammen mit Inertgas zunächst als Flüssigaerosol in die Strömung eingespritzt. Unmittelbar danach wird das Lösungsmittel der Salzlösung unter Freisetzung des salzförmigen Tracers als Feststoffaerosol durch die Pro­ zeßwärme vollständig verdampft. Das Besondere ist daran, daß eine Salzlösung des Tracers mit sofortiger Verdampfung des Lö­ sungsmittels dispergiert wird. Die Größe der dabei im Heißgas­ strom verbleibenden Partikel wird über die Düsenparameter und die Salzkonzentration des zunächst flüssigen Tracers bzw. sei­ ner Lösung beeinflußt. Dabei liegt die Tröpfchengröße im Be­ reich von ungefähr 10 µm, die Teilchengröße der Salzpartikel im Bereich von ungefähr einem µm.

Die Bestimmung der Teilchengröße des entstehenden Feststoffae­ rosols erfolgt durch Variation der Tropfengröße des Flüssigae­ rosols oder durch Variation der Salzkonzentration in der Salz­ lösung.

Das gemäß einem solchen Verfahren erzeugte Aerosol bewegt sich nun im Abgaszug z. B. einer Verbrennungsanlage wie die Teilchen im Rauchgas selbst. Die Teilchen können sich an den Wänden entsprechend niederschlagen und erlauben u. a. Reinigungsunter­ suchungen derselben. Das Gleiche gilt für das Verhalten in nachgeschalteten Filteranlagen, Wäschern oder ähnlichen Kompo­ nenten.

Die Injiziereinrichtung gemäß der Figur besteht im wesentli­ chen aus den drei Hauptkomponenten Injizierlanze 1, Vorrich­ tung 2 zum Freisetzen des Tracers und Tracervorlagegefäß 3. Die in einen Heißgasstrom 5 ragende Injizierlanze 1 weist an ihrer Spitze eine Austrittsdüse 4 auf, aus welcher der Tracer unter Treibgaswirkung in kegelförmigem Strahl 6 mit variablem Kegelwinkel in den Heißgasstrom 5 eingespritzt wird. Die Treib­ gaszuführung zur Düse 4 erfolgt über den Ringraum 7 und die injektorartig wirkenden Treibgasöffnungen 8. Die Tracerlösung wird der Düse 4 über das Zentralrohr 9 zugeführt, welches von dem Treibgaszuführrohr 10 umgeben ist, dessen Innenraum sei­ nerseits mit dem Ringraum 7 in Verbindung steht. Beide Rohre 9 und 10 weisen Anschlüsse 11 und 12 für Tracer und Treibgas auf. Die gesamte Injizierlanze ist von einem Kühlmantel 13 um­ geben der mit Kühlwasser beaufschlagt wird.

Die Vorrichtung 2 zur Freisetzung des Tracers besteht aus ei­ nem senkrecht angeordneten Gehäuse 14, in welchem sich über einer Lochplatte 19, eine Glasampulle 15 mit der Tracerlösung befindet. Mittels der in das Gehäuse 14 ragenden Schraube 16 kann die Ampulle 15 zerstört und die Tracerlösung freigesetzt werden. Ins abgedichtete Gehäuse 14 führen ein Anschluß 17 für Inertgas zum Ausdrücken der freigesetzten Tracerlösung und ein Abfluß 18 zum Abführen derselben über ein Filter 20 in das Tracervorlagegefäß 3.

Das ebenfalls senkrecht unter der Vorrichtung 2 angeordnete Tracervorlagegefäß 3 besitzt einen oberen Anschluß 21 für die Tracerzufuhr und zwei untere zur portionsweisen Dosierung in verschiedenen Höhen gelegene Abflüsse 22 die über Leitungen zu dem Anschluß 11 der Lanze 1 führen. Der Anschluß 21 steht über dem Filter 20 mit dem Abfluß 18 in Verbindung. Mittels Schließorganen 23 sind die jeweiligen Leitungen absperrbar. Unter Umgehung von Freisetzvorrichtung 2 und Vorlagegefäß 3 führt eine stickstofführende Inertgasleitung 24 zum Anschluß 12 an der Lanze 1.

Die Markierung des Gasstromes 5 mit dem erwähnten Feststoffae­ rosol, in einem speziellen Anwendungsfall für Abgase einer Müllverbrennungsanlage mit maximalen Temperaturen von 900 bis 1000°C erfolgte mit dem Salz MN (NO₃) 2 des Isotopes MN 56 und geschieht wie folgt:

• 1. Ansetzen einer Salzlösung von MN (NO₃) 2 in H₂O, wobei die Salzkonzentration die Tropfen- und damit die Partikelgröße im Aerosol bestimmt,
• 2. Ansäuern der Lösung mit HNO₃ zur Rekombination von Zerfäl­ len bei der Bestrahlung,
• 3. Bestrahlung der Salzlösung zum Erzeugen des Isotopes MN 56,
• 4. Überführen der in einer Glasampulle 15 befindlichen Lösung in die Abschirmung der Tracerfreisetzvorrichtung 2,
• 5. Zerstörung der Glasampulle 15 durch Eindrehen der Schraube 16,
• 6. Ausdrücken der Tracersalzlösung mit Inertgas über den An­ schluß 17 durch das Filter 20 in das Tracervorlagegefäß 3,
• 7. Entlüften über ein Dosierventil bzw. Absperrorgane,
• 8. Portionsweise Zuführung der Tracerlösung je nach Zahl der Abflüsse 22 in das Zentralrohr 9 der Injizierlanze 1 und Zerstäubung derselben in der Austrittsdüse 4 mittels der Treibgasöffnung 8, wobei die Tracerlösung als Propfen in der als Kapillare ausgebildeten Verbindungsleitung ver­ bleibt und Stickstoff als Treibgas dient.
• 9. Verdampfen des Lösungsmittels in den Aerosoltröpfchen durch Prozeßwärme des Abgasstromes und Reduktion derselben zu Festkörperteilchen in Form von Salzpartikeln.
• 10. Kühlen der Injizierlanze 1 mittels des Kühlmantels 13 über den Zeitraum des Verweilens in den Verbrennungsgasen 5. Durch Spülen mit Stickstoff als Inertgas wird dabei ein Verzundern der Lanze 1 verhindert.
• 11. Erfassung der Durchgangssignale des MN 56 als radioaktiver Tracer an verschiedenen geeigneten Stellen im weiteren Ver­ lauf des Abgaszuges der Verbrennungsanlage und Auswerten derselben.

Bezugszeichenliste

1 Injizierlanze
2 Tracerfreisetzvorrichtung
3 Tracervorlagegefäß
4 Austrittsdüse
5 Heißgasstrom
6 kegelförmiger Strahl
7 Ringraum
8 Treibgasöffnungen
9 Zentralrohr
10 Treibgaszuführrohr
11 Anschluß
12 Anschluß
13 Kühlmantel
14 Gehäuse
15 Glasampulle
16 Schraube
17 Anschluß
18 Abfluß
19 Lochplatte
20 Filter
21 Anschluß
22 Abflüsse
23 Schließorgan
24 Inertgasleitung

Claims (1)

1. Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften gasgetragener Fest­ stoffaerosole in Hochtemperaturzonen, vorzugsweise den Ver­ weilzeiten von Feststoffteilchen im Abgasstrom von Verbren­ nungsanlagen, unter Verwendung von radioaktiven Tracern, die in einem zu untersuchenden Heißgasstrom eingespritzt werden, deren Verteilung hinter der Einspritzstelle mittels Detektoren überwacht wird, und bei welchem der Tracer gelöst als Flüssig­ aerosol in die Strömung eingespritzt und dort durch Sprühtrocknung mittels Prozeßwärme in ein Feststoffaerosol umgewandelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

   • a) Ansetzen einer Salzlösung der unbestrahlten Tracersubstanz, wobei die Salzkonzentration die spätere Partikelgröße im Feststoffaerosol bestimmt,
   • b) Ansäuern der Salzlösung zur Rekombination späterer Zerfälle bei der Bestrahlung,
   • c) Bestrahlen der Salzlösung mittels einer Strahlenquelle zur Erzeugung des gewünschten, speziellen Isotopes,
   • d) Überführen der in eine Glasampulle abgefüllten Salzlösung in eine abgeschirmte Tracerfreisetzungvorrichtung, deren Abflußöffnung über ein Vorlagegefäß mit einer Injizierlanze verbunden ist, deren Zentralrohr mit der Austrittsdüse in den Heißgasstrom ragt,
   • e) Zerstören der Glasampulle in der Tracerfreisetzvorrichtung und Ausdrücken der Salzlösung als Tracerlösung in das Vor­ lagegefäß,
   • f) Portionsweises Zuführen der Tracerlösung vom Vorlagegefäß in das Zentralrohr und Zerstäuben derselben in der Aus­ trittsdüse, wobei die Tracerlösung jeweils als Pfropfen in der als Kapillare ausgebildeten Verbindungsleitung bleibt,
   • g) Erfassen von Durchgangssignalen des Tracers im weiteren Verlauf des Heißgasstroms.