DE4417247B4

DE4417247B4 - Verbrennungsofen für Flüssigkeitsproben

Info

Publication number: DE4417247B4
Application number: DE19944417247
Authority: DE
Inventors: Meinolf Levermann
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2014-05-18
Also published as: DE4417247A1

Abstract

Verbrennungsofen für Flüssigkeitsproben zur Bestimmung des Gehalts an oxidierbaren Inhaltsstoffen, mit einem Ofenraum, in dem ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer im Abstand zum Katalysator an der Eintrittsseite des Ofenraumes mündenden Einspritzdüse für die Flüssigkeitsprobe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einspritzdüse (5) und dem Katalysator (8) ein auswechselbarer, beidseitig offener Ofeneinsatz (15) angeordnet ist, der eine Füllung (20) aus Füllkörpern (21) mit geschlossener Oberfläche enthält, und daß sich die Füllung (20) von einem eintrittsseitigen Ofenbereich mit einer Betriebstemperatur von angenähert 400°C bis zu einem katalysatorseitigen Ofenbereich mit der Betriebstemperatur des Katalysators (8) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsofen für Flüssigkeitsproben zur Bestimmung des Gehalts an oxidierbaren Inhaltsstoffen, mit einem Ofenraum, in dem ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer im Abstand zum Katalysator an der Eintrittsseite des Ofenraumes mündenden Einspritzdüse für die Flüssigkeitsprobe.
Ein derartiger Verbrennungsofen ist wesentlicher Bestandteil einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Gehalts an oxidierbaren Inhaltsstoffen in wässrigen Flüssigkeiten, insbesondere zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts und/des Stickstoffgehalts in Abwasser. Die dem Verbrennungsofen zugeführte, beispielsweise kontinuierlich eingespritzte Flüssigkeitsprobe wird dort verbrannt, d.h. die organischen Inhaltsstoffe werden thermisch zu Kohlendioxid (CO₂) umgesetzt. Die kurz als Verbrennung bezeichnete thermische Umsetzung der organischen Inhaltsstoffe zu Kohlendioxid erfolgt in einem Katalysator, der in dem Ofenraum angeordnet ist. Das entstandene Kohlendioxid wird mit Hilfe eines Transportgases, das in der Regel auch den nötigen Verbrennungssauerstoff liefert, über einen Kühler mit Wasserabscheider und ein Gasfilter zu einer Infrarot-Auswerteeinheit transportiert. Das bei der Verbrennung entstandene Kohlendioxid wird durch Infrarotmessung bestimmt, und aus diesem Wert wird der Kohlenstoffgehalt errechnet, beispielsweise als TOC (Total Organic Carbon).
Eine wesentliche Schwierigkeit beim Betrieb dieser Vorrichtungen besteht darin, daß die in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen Salze sich mindestens teilweise im Ofenraum niederschlagen und dort zu einem "Versalzen" oder "Verbacken" des Katalysators führen.
Bei Temperaturen von 100°C-400°C schlagen sich die aus der Flüssigkeitsprobe stammenden Salze nieder. Im Temperaturbereich von 400°C-750°C sind Alkali- und Erdalkalimetallchloride flüchtig. Erdalkaliphosphate, Erdalkalisulfate und Schwermetallsalze sind aber nicht flüchtig oder nur schwerflüchtig. Bei Temperaturen über 750°C zerfallen die meisten Erdalkalimetallsalze und Schwermetallsalze in die entsprechenden Oxide und verbacken zu sehr harten, keramikartigen Substanzen.
Die sich an der Katalysatoroberfläche ansetzenden, schwerflüchtigen Substanzen, insbesondere Oxide, beeinträchtigen die Wirkungsweise des Katalysators und führen schließlich zum Ausfall des Katalysators. Der dadurch notwendig werdende, häufige Austausch des Katalysators bedingt eine störende Betriebsunterbrechung und verursacht hohe Kosten. Erschwerend kommt noch hinzu, daß das Auswechseln des Katalysators oftmals durch an der Eintrittseite des Ofenraumes abgelagerte Salze erschwert oder verhindert wird.
Bei einer bekannten Vorrichtung zum Analysieren von Stickstoffspuren ( EP 75467 A1 ) und einer bekannten Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Schwefel ( GB 2 037 425 ) ist jeweils ein Katalysator in einem Ofenraum angeordnet. Eine besondere Maßnahme zur Verhinderung oder Verminderung des Salzniederschlags ist dort nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbrennungsofen der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß Betriebsstörungen durch die in den Flüssigkeitsproben enthaltenen Salze bzw. Oxide weitgehend verhindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Einspritzdüse und dem Katalysator ein auswechselbarer, beidseitig offener Ofeneinsatz angeordnet ist, der eine Füllung aus Füllkörpern mit geschlossener Oberfläche enthält, und daß sich die Füllung von einem eintrittsseitigen Ofenbereich mit einer Betriebstemperatur von angenähert 400°C bis zu einem katalysatorseitigen Ofenbereich mit der Betriebstemperatur des Katalysators erstreckt.

Der an der Eintrittseite des Ofenraums angeordnete Einsatz, in den die Flüssigkeitsprobe eingespritzt wird, ist so angeordnet, und so weit mit den Füllkörpern gefüllt, daß die so gebildete Füllung an Ihrer Eintrittsseite bei einer Temperatur von ungefähr 400°C liegt und an ihrer Austrittsseite angenähert die Betriebstemperatur des Katalysators aufweist, beispielsweise 600°C-670°C. Die Anordnung der Füllung in dem genannten Temperaturbereich im Ofenraum bewirkt, daß ein Wärmeverlust eingangsseitig am Katalysator durch den Probenstrom ausgeglichen und so bei der Katalysatortemperatur von über 600°C ein Verflüchtigen der flüchtigen Salze ermöglicht wird. Die nichtflüchtigen Salze und die bei hoher Katalysatortemperatur von beispielsweise über 750°C entstehenden schwerflüchtigen Substanzen werden aufgefangen, da der als Salzfänger wirkende Einsatz hier auch die hohe Temperatur des Katalysators hat.

Die Salze, die sich in der Füllung niedergeschlagen haben, können mit dem gesamten Einsatz oder zumindest mit der Füllung entfernt werden, ohne daß hierfür größere Wartungseingriffe erforderlich werden, wie ein Wechsel des Katalysators oder ein Ausbau des Verbrennungsofens. Wenn ein regelmäßiger Wechsel des Einsatzes vorgesehen wird, wird die Gefahr einer unvorhergesehenen Betriebsunterbrechung weitestgehend ausgeschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der Füllung eintrittsseitig ein konzentrisch zum eingespritzten Probenstrom angeordneter Rohrabschnitt vorgeschaltet ist.

Dieser im Temperaturbereich von 100°C-400°C liegende Rohrabschnitt nimmt die Salze aus dem dort versprühten Probenstrom auf, der sich an der Rohrwandung niederschlägt. Beim Auswechseln des Einsatzes wird dann auch dieser Salzniederschlag beseitigt. Dadurch wird verhindert, daß sich die Salze in dem Temperaturbereich unterhalb 400°C im Eintrittsbereich an den Ofenwänden niederschlagen können, wodurch die Probenzufuhr beeinträchtigt oder verhindert werden könnte und ein Auswechseln des Katalysators verhindert werden könnte, so daß der gesamte Verbrennungsofen unbrauchbar würde. Bei einem regelmäßigen Wechsel des Einsatzes wird daher auch eine Betriebsunterbrechung infolge von Salzablagerungen bei niedrigeren Temperaturen vermieden.

Vorzugsweise bestehen die Füllkörper aus Quarzglas, einem keramischen Material oder Edelstahl. Eine Füllung aus diesem Material hat eine verhältnismäßig große Oberfläche, an der sich die abzuscheidenden Substanzen niederschlagen können. Andererseits ist diese Oberfläche aber völlig geschlossen, so daß verhindert wird, daß sich Bestandteile der Flüssigkeitsprobe, insbesondere organische Bestandteile darin festsetzen und somit der Verbrennung entzogen oder nur verzögert zugeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
1 in vereinfachter Darstellungsweise eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Gehalts an oxidierbaren Inhaltsstoffen in wässrigen Flüssigkeiten, wobei der einen Teil der Vorrichtung bildende Verbrennungsofen im Schnitt dargestellt ist und
2 in einem vergrößerten Längsschnitt den auswecheselbaren Einsatz des Verbrennungsofens.
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung wird die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe, beispielsweise Abwasser, über eine Flüssigkeitsleitung 1 und eine Dosierpumpe 2 einer Mischbatterie 3 zugeführt. Der Mischkammer 3 wird über eine Leitung 4 ein Transportgas zugeführt, das auch den für die nachfolgende Verbrennung notwendigen Sauerstoff enthält.
Die Flüssigkeitsprobe tritt zusammen mit dem zugeführten Transportgas über eine Einspritzdüse 5 in einen beispielsweise als Pyrolyserohr ausgeführten Verbrennungsofen 6 ein. Der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als stehendes zylindrisches Rohr ausgeführte Verbrennungsofen 6 enthält in seinem Ofenraum 7 im unteren Bereich einen Katalysator 8, der der Verbrennung der in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen oxidierbaren Inhaltsstoffe, beispielsweise Kohlenstoff, zu einem gasförmigen Oxid, beispielsweise Kohlendioxid, dient.
Durch einen Austritt 9 am unteren Ende des Ofenraumes 7 gelangt das im Verbrennungsofen 6 erzeugte Abgas über eine Leitung 10, einen Wasserabscheider 11, einen Kühler 12 und ein Filter 13 zu einer Infrarot-Meßeinrichtung 14. In der Infrarot-Meßeinrichtung 14 wird in einer Meßkammer mittels einer Infrarotmessung der Gehalt an gasförmigem Oxid, beispielsweise Kohlendioxid bestimmt. Das Meßsignal wird einem (nicht dargestellten) Rechner zugeführt, der ein Ergebnissignal an eine (ebenfalls nicht dargestellte) Anzeige- und/oder Aufzeichnungseinrichtung liefert.
Wie man aus 1 erkennt, ist die Oberseite des Katalysators 8 im Abstand zu der Einspritzdüse 5 angeordnet. In dem dazwischenliegenden oberen Bereich des Ofenraumes 7 ist ein Ofeneinsatz 15 angeordnet, der in Einzelheiten in 2 dargestellt ist. Der Ofeneinsatz 15 weist ein von oben in den Ofenraum 7 eingesetztes rohrförmiges Gehäuse 16 auf, das an seiner oberen Eintrittsseite 17 offen ist. An seiner Unterseite weist das Gehäuse 16 einen mit Durchtrittskanälen 18 versehenen Siebboden 19 auf, der eine im unteren Teil des Gehäuses 16 aufgenommene Füllung 20 zurückhält.
Die Füllung 20 besteht aus einer Vielzahl von Füllkörpern 21, die eine geschlossene Oberfläche aufweisen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Füllkörper 21 aus Quarzglas und sind ringförmige Rohrabschnitte von etwa 5 mm Durchmesser und 5 mm Länge. Stattdessen können die Füllkörper beispielsweise auch aus keramischem Material bestehen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht auch das Gehäuse 16 aus Quarzglas. Es weist einen oberen, äußeren Randflansch 22 auf, mit dem es an der Eintrittsseite des Verbrennungsofens 6 leicht auswechselbar gehalten wird.
Beim Betrieb der Vorrichtung steigt die Temperatur im Ofenraum von etwa 100°C an der Eintrittsseite bis zur Betriebstemperatur des Katalysators 20 an, die in einem Bereich oberhalb des Katalysators 20 herrscht. Das rohrförmige Gehäuse 16 des Ofeneinsatzes 15 ist nur teilweise mit der Füllung 20 gefüllt. Das rohrförmige Gehäuse 16 bildet mit seinem einlaßseitigen, oberen Abschnitt 23 einen konzentrisch zum eingespritzten Probenstrom angeordneten, der Füllung 20 vorgeschalteten Rohrabschnitt, der im Betrieb eine Temperatur im Bereich von 100°C-400°C annimmt. Hier schlagen sich die aus der seitwärts verspritzten Flüssigkeitsprobe stammenden Salze nieder.
Die Oberseite der Füllung 20 ist in einer solchen Höhe im Ofenraum 7 angeordnet, daß dort eine Temperatur von etwa 400°C herrscht, wenn der Katalysator 8 seine Betriebstemperatur von beispielsweise 600°C-670°C hat.
Das durch den Siebboden 19 begrenzte untere Ende der Füllung 20 liegt in einem Ofenbereich, der bereits die Betriebstemperatur des Katalysators 8 hat. Durch diese Wahl der Temperaturen in der Füllung 20 wird erreicht, daß sich im Ofeneinsatz 15 im wesentlichen alle Salze und schwerflüchtigen Substanzen, insbesonder Oxide, ablagern, die zu einer Funktionsstörung des Verbrennungsofens 6 bzw. des Katalysators 8 führen könnten.
In vorgegebenen Zeitabständen kann der gesamte Ofeneinsatz 15 leicht ausgewechselt werden, um die darin aufgenommenen Salze und anderen Substanzen zu entfernen. Der Katalysator 8 bleibt über einen langen Zeitraum funktionsfähig. Beeinträchtigungen der Probenzufuhr infolge von Salzablagerungen sind ebenfalls weitestgehend ausgeschlossen.

Claims

Verbrennungsofen für Flüssigkeitsproben zur Bestimmung des Gehalts an oxidierbaren Inhaltsstoffen, mit einem Ofenraum, in dem ein Katalysator angeordnet ist, und mit einer im Abstand zum Katalysator an der Eintrittsseite des Ofenraumes mündenden Einspritzdüse für die Flüssigkeitsprobe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einspritzdüse (5) und dem Katalysator (8) ein auswechselbarer, beidseitig offener Ofeneinsatz (15) angeordnet ist, der eine Füllung (20) aus Füllkörpern (21) mit geschlossener Oberfläche enthält, und daß sich die Füllung (20) von einem eintrittsseitigen Ofenbereich mit einer Betriebstemperatur von angenähert 400°C bis zu einem katalysatorseitigen Ofenbereich mit der Betriebstemperatur des Katalysators (8) erstreckt.
Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllung (20) eintrittsseitig ein konzentrisch zum eingespritzten Probenstrom angeordneter Rohrabschnitt (23) vorgeschaltet ist.
Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (21) aus Quarzglas bestehen.
Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (21) aus keramischem Material bestehen.
Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (21) ringförmige Rohrabschnitte sind.
Verbrennungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofeneinsatz (15) ein von oben in den Ofenraum (7) eingesetztes rohrförmiges Gehäuse (16) aufweist, das an seiner oberen Eintrittsseite offen ist und einen die Füllung haltenden Siebboden (19) aufweist.
Verbrennungsofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (16) nur teilweise mit der Füllung (20) gefüllt ist.
Verbrennungsofen nach Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (16) mit seinem einlaßseitigen Abschnitt den vorgeschalteten Rohrabschnitt (23) bildet.