DE4430378C2 - Probenahme- und Meßsystem zur Bestimmung des Staubgehaltes in einem Abgaskanal - Google Patents

Description

Zur kontinuierlichen Überwachung und Messung der Staubbela­ stung eines Abgaskanals von insbesondere industriellen Anla­ gen sind heute unter den optischen Meßverfahren grundsätz­ lich zwei Prinzipien bekannt.

Zum einen die Insitu-Messung, bei welcher die Konzentration der Staubbeladung durch Transmissions- oder Streulicht-Mes­ sung direkt im Hauptgasstrom stattfindet.

Zum anderen die Bypass-Messung, bei der aus dem Hauptgasstrom eine Teilgasmenge abgeleitet und einem außerhalb liegenden Meßort zugeführt wird. Aus der Bestimmung der Belastung des Teilgasstromes wird dann auf die Gesamtbelastung des Haupt­ gasstromes hochgerechnet. Nach der Messung wird der Teilgas­ strom wieder dem Abgasstrom zugeführt.

Beide Meßprinzipien haben Vor- und Nachteile und zählen in den verschiedensten Ausführungen heute zum Stand der Tech­ nik.

Die hier vorliegende Erfindung gehört in die Gruppe der Bypass-Systeme und beschreibt ein spezielles Meßgasleitungs­ system zur kontinuierlichen Probeentnahme eines Teilgasstro­ mes aus einem Abgaskanal mit Zuführung und Aufbereitung des Gases zum Meßort und anschließender Rückführung in den Abgas­ kanal.

Derartige Entnahme- und Rohrleitungssysteme werden heute in den verschiedensten Ausführungen eingesetzt. Aufgrund der be­ sonderen Anforderungen und äußeren Umweltbelastungen, die da sind:

• - der Abgasstrom ist belastet mit Aerosolen (flüssige Phase in Tröpfchenform) und
• - Staubpartikeln (Rußpartikel, Flugasche)

ist jedoch eine hohe technische Anforderung zu deren Funk­ tionsfähigkeit notwendig.

Darüber hinaus hat das Entnahme- und Leitungssystem in Ver­ bindung mit einer Meßgasaufheizung noch die Funktion, den Teilgasstrom vor dem Meßort zu trocknen, um eine fehlerfreie Staubkonzentrationsmessung durchführen zu können.

Im kontinuierlichen Betrieb treten bei den bekannten Entnah­ me- und Leitungssystemen sehr oft Probleme durch Verschmut­ zung, hervorgerufen durch Staub und Nässe, auf. Häufige und aufwendige Reinigungszyklen sowie begrenzte Standzeiten sind die Folge.

Aufgrund der aggressiven Kondensate im Abgasstrom müssen darüber hinaus zum Schutz vor schnellem Verschleiß hoch­ wertige und damit teuere Materialien verwendet werden, wie z. B. Edelstahl oder Titan.

Ein weiterer Nachteil beim bekannten Stand der Technik ist darin zu sehen, daß nach erfolgter Messung zur Rückführung der Teilgasmenge in den Abgaskanal ein zusätzlicher Einführ­ stutzen in die Außenwand des Hauptgaskanals installiert wer­ den muß.

Aus der DE-PS 10 45 689 ist eine nach dem Bypass-Prinzip ar­ beitende Vorrichtung zur Probenahme und zur laufenden Mes­ sung mittlerer Werte aus Strömungen, insbesondere Rauchgas­ strömen großer Feuerungsanlagen bekannt. Bei dieser Vorrich­ tung wird einem strömenden Medium mit Hilfe von mehreren Ent­ nahmerohren eine Probe entnommen und einem Mischbehälter zu­ geführt, in welchem die der Strömung entnommenen Einzelströ­ me zyklonartig umlaufen und durch spezielle Einsätze zu ei­ nem Meßstrom gemischt werden. Anschließend wird der Meßstrom Meß- bzw. Analysegeräten zugeführt. Nach erfolgter Messung bzw. Analyse wird die Probe über ein Rückführrohr in den das strömende Medium führenden Kanal zurückgeführt. Diese bekann­ te Vorrichtung dient insbesondere der CO₂-Messung, wobei die Bestimmung des Staubgehaltes nicht möglich ist, da der Misch­ behälter als Zyklon-Abscheider für in der entnommenen Probe enthaltene Verunreinigungen ausgebildet ist.

Die DD 1 05 063 betrifft eine Vorrichtung zur fort laufenden Entnahme und Teilaufbereitung von Teilgasströmen aus staub­ haltigen Industrieabgasen, die einen Fliehkraftabscheider mit einer als Tauchrohr ausgebildeten Filterkerze aufweist. Diese bekannte Vorrichtung ist somit ebenfalls nicht zur Be­ stimmung des Staubgehaltes geeignet, da durch den Fliehkraft­ abscheider die entnommenen Abgase von Verunreinigungen be­ freit werden.

Die DE-AS 11 96 219 beschreibt einen als Wärmetauscher ausge­ bildeten Abscheider mit einem Doppelzyklon, der von zwei gleichachsig zueinander angeordneten Kammern gebildet wird. Mit dieser bekannten Anordnung sollen ebenfalls feste oder flüssige Teilchen aus dem strömenden Medium abgeschieden wer­ den, so daß auch dieser Gegenstand im Rahmen einer Staubge­ haltsmessung nicht einsetzbar wäre.

Aus der DE 88 02 724 U1 ist ein Bypass-Meßgerät zur Bestim­ mung des Sauerstoffgehaltes in einem Rauchgas bekannt, wel­ ches eine Meßzelle mit einem beheizten Meßrohr und einem im Meßrohr angeordneten Meßelement sowie ein einströmseitig an das Meßrohr angeschlossenes Entnahmerohr für Rauchgasproben aufweist. Das Entnahmerohr ist von einem Abströmrohr mit ra­ dialem Zwischenabstand umgeben, wobei das Abströmrohr mit dem abströmseitigen Ende des Meßrohres über ein Konvektions­ rohr verbunden und über das Einströmende des Entnahmerohres verlängert ist. Die Verlängerung des Abströmrohres bewirkt die Bildung von Wirbeln am Einlaß des Entnahmerohres, wo­ durch das Eindringen von Staub- und Rußpartikeln in das Ent­ nahmerohr verhindert wird. Dieses bekannte Meßgerät ist so­ mit ebenfalls nicht zur Messung des Staubgehaltes im Rauch­ gas geeignet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Probenahme- und Meßsy­ stem zur Bestimmung des Staubgehaltes in einem Abgaskanal anzugeben, welches eine nicht durch unerwünschte Partikel (Flüssigkeitsteilchen) verfälschte Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Probenahme- und Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Probenahme- und Meßsystems sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Bereich der Meßgasüberhitzung werden mit dem Rotations­ hohlraum gegenüber den beheizten Rohrleitungen wesentlich bessere Wärmeübergangsverhältnisse geschaffen bei gleichzei­ tig verstärkter Tropfenverdampfung durch die Fliehkraftwir­ kung an der Wandung bzw. in Wandnähe. Darüber hinaus ermög­ licht diese Ausführung im Vergleich zu den beheizten Rohr­ leitungen eine kürzere kompakte Bauform, die sich dadurch auszeichnet, daß leicht wechselbare Standard-Heizelemente verwendbar sind und der Installations-, Wartungs- und Instandsetzungsaufwand deutlich reduziert ist.

Durch eine möglichst tangentiale Anordnung des Eintrittsstut­ zens wird das Meßgas beim Eintritt in den Rotationshohlraum in eine Drallströmung versetzt. Mit einer zusätzlich vereng­ ten Düse im Eintrittsstutzen wird diese Drallströmung noch verstärkt. Mit dieser leicht montierbaren Düse aus Kunst­ stoff oder Keramik wird einerseits die Neigung zur Verschmut­ zung verringert und andererseits die Reinigung erleichtert. Darüber hinaus entsteht auf diese Weise ein intensiver Wärme­ kontakt des Gases an der Kammerwand. Gleichzeitig gelangen durch Fliehkraft die Tröpfchen im Gas in Wandnähe und ver­ dampfen an dieser beheizten Oberfläche auf kurzem Wege.

Die starke Drallströmung hat darüber hinaus die Wirkung, einer Ablagerung des Staubes und von Verdampfungsrückständen entgegenzuwirken.

Gemäß einer Weiterbildung des Probenahme- und Meßsystems kann die Entnahmeson­ de die Funktion der Entnahme und der Rückführung gleicherma­ ßen übernehmen. Durch ein doppelwandiges Mantelrohr wird in dessen Zentrum der Teilgasstrom abgesaugt und im Mantelrohr in Gegenstromrichtung die Rückführung eingeleitet. Mit die­ ser Rückführung des überhitzten Teilgasstromes wird bereits das zentrale Entnahmerohr beheizt und somit der Teilgasstrom schon beim Absaugen vorgewärmt.

Das entnommene Meßgas wird zum Beseitigen (Verdampfen) der flüssigen Partikel dem elektrisch beheizten Rotationshohl­ raum (genannt Wirbelkammer, Drallkammer oder Zyklonkammer) zugeführt.

Mit einem Schlauch aus temperaturfestem, antiadhäsivem und chemisch beständigem Kunststoff können die Entnahmesonde und die Drallkammer zur Führung des Teilgasstromes verbunden wer­ den. Diese Art der Verbindung gewährleistet eine mechanische und thermische Entkoppelung, so daß ein evtl. geometrischer Montageversatzüberbrückt werden kann, keine Schwingungen übertragen werden und gleichzeitig die Entnahmesonde von der hohen Temperaturbelastung durch die beheizte Drallkammer ent­ koppelt ist. Außerdem erleichtert die Verwendung von schnell lösbaren Schlauchverbindungen den Wartungs- und Reinigungs­ prozeß.

Die sich aus der Erfindung ergebenden Vorteile im Bereich der Gasentnahmesonde gegenüber dem bekannten Stand der Tech­ nik sind ein wesentlich verminderter Wartungsaufwand für die geringeren und leichter zu entfernenden Verschmutzungen im Absaugrohr sowie eine teilweise Rückgewinnung der für die Überhitzung aufgebrachten Wärmeenergie. Darüber hinaus kann durch die Verwendung von temperaturfestem, antiadhäsivem und chemisch beständigem Kunststoff für die Entnahmesonde gegen­ über Edelstahl oder Titan bei gleichzeitiger Senkung der Her­ stellungskosten die Neigung zur Verschmutzung vermindert und die Korrosionsfestigkeit wesentlich erhöht werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht der Bypass- Meßanordnung mit den Komponenten der Entnah­ mesonde, dem beheizten Rotationshohlraum, dem optischen Meßkopf, dem Saugzug sowie der Rückführung des Meßgases in den Abgaskanal,

Fig. 2 eine Seitenschnittansicht der Entnahmesonde im Abgaskanal,

Fig. 3 eine Seitenschnittansicht des beheizten Rota­ tionshohlraums,

Fig. 4 einen Schnitt A-A in der Zuströmebene des Ro­ tationshohlraums, und

Fig. 5 einen Schnitt B-B in der Abströmebene des Ro­ tationshohlraums.

In Fig. 1 ist schematisch die gesamte Bypass-Meßanordnung im Schnitt dargestellt. Der Hauptgasstrom 1 wird dabei in einem Abgaskanal 2 geführt. In die Seitenwand des Abgaskanals 2 ist ein Einbaustutzen 3 eingefügt. An der Anflanschstelle 4 des Stutzens 3 ist die Sonde 5 befestigt, welche lanzenför­ mig in den Abgaskanal 2 hineinragt. Durch die Sonde wird ein Teilgasstrom 10 angesaugt und durch die Düse 28 im Ein­ trittsstutzen 7 dem beheizten Rotationshohlraum 8 zugeführt.

In diesem Rotationshohlraum 8 wird der in Drallströmung ver­ setzte Teilgasstrom überhitzt und dadurch von flüssigen Teil­ chen befreit. Durch den Austrittsstuten 9 tritt der trockene Teilgasstrom aus und gelangt in den Meßraum des optischen Meßkopfes 11. Der Meßkopf, vorzugsweise ein Streulicht-Staub­ gehaltsmeßgerät, mißt die Staubbeladung anhand der Streu­ lichtreflektionen an den Staubpartikeln, welche im Teilgas­ strom 10 mitgeführt werden. Der Saugzug 27 fördert nun den Teilgasstrom wieder zur Sonde 5 zurück. Über den Mantelraum 12 wird nun im Gegenstrom zur Einsaugrichtung wieder das Teilgas über die Auslaßöffnung 13 in den Hauptgasstrom 1 rückgeführt.

Die Sonde 5 als ein wichtiges Element der Bypass-Meßanordnung wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Diese Sonde 5 ist an der Anflanschstelle 4 mit dem Einbaustutzen 3, welcher in die Wandung des Abgaskanals 2 eingelassen ist, befestigt.

Eine Teilmenge des Hauptgasstromes 1 wird kontinuierlich durch den Absaugquerschnitt 6 angesaugt. Das Entnahmerohr 14 beseht aus einem antiadhäsiven Material, z. B. einem Kunst­ stoff PVDF, der beständig gegen aggressive Medien ist und eine Betriebstemperatur bis 120°C zuläßt. Am Ende des Entnah­ merohres 14 befindet sich eine Absperrarmatur 15, um die An­ lage im Servicefall vom Abgaskanal entkoppeln zu können.

Nach Durchlauf des Teilgasstromes durch den Rotationshohl­ raum und der optischen Meßstrecke wird das Meßgas durch eine ebenfalls mit einer Absperrarmatur 16 verschließbare Öffnung 17 in den Mantelraum 12 eintreten. Dieser Mantelraum 12 wird gebildet durch die Außenfläche des Entnahmerohres 14 und die Innenfläche des Rückführrohres 18.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß mit dieser Rückführung des überhitzten Meßgases bis hin zur Auslaßöffnung 13, wo das Meßgas wieder dem Hauptgasstrom 1 zugeführt wird, be­ reits das Entnahmerohr 14 beheizt wird und somit schon in dieser Phase eine Vorwärmung des angesaugten Gases stattfin­ det.

Ein weiterer Vorteil dieses Probenahme- und Meßsystems ist dadurch gegeben, daß diese Rückführung durch den gleichen Einbaustutzen 3 erfolgt, durch den auch die Entnahme statt­ fand. Es ist somit kein separater Stutzen in der Außenwand des Abgaskanals 2 erforderlich, was sich besonders vorteil­ haft beim Installationsaufwand der Anlage auswirkt.

Ein weiteres wichtiges Element der Bypass-Meßanordnung, der erhitzbare Rotationshohlraum, wird in den Fig. 3, 4 und 5 beschrieben.

Über die Düse 28 im Eintrittsstutzen 7 (siehe Fig. 4) strömt das Meßgas beschleunigt in den Rotationshohlraum 8 (auch Wir­ belkammer, Drallkammer oder Zyklon genannt) tangential ein. Durch diese tangential beschleunigte Zuströmung (verengter Zuströmquerschnitt) wird eine starke Drallströmung in der Kammer mit gleichzeitig intensivem Wärmeübergang zu der be­ heizten Kammerwand 20 erreicht. Gleichzeitig werden die im Meßgas befindlichen Tröpfchen durch die Fliehkraft in Wand­ nähe gelangen und so auf kurzem Wege verdampfen.

Ebenfalls vorteilhaft an dem Probenahme- und Meßsystem ist, daß durch diese starke Drallwirkung der Ablagerung von Staub und Verdampfungsrückständen entgegengewirkt wird.

Die Ausführung dieser beheizten Drallkammer hat gegenüber den bisher verwendeten beheizten Rohrleitungssystemen noch den Vorteil einer kompakten Bauform, die wirtschaftlicher herstellbar und mit geringeren Wärmeverlusten betriebsfähig ist.

In Fig. 3 ist der beheizbare Rotationshohlraum im Schnitt dargestellt. Die zylindrische Kammer ist auf der Stirnseite beim Eintrittsstutzen fest verschlossen und vollflächig mit einem Heizelement 22 belegt. Die gegenüberliegende Stirnflä­ che ist dagegen vorzugsweise mit einer lösbaren Abdeckung 21 abgeschlossen. Um die zylindrische Kammerwand sind mehrere ringförmige Heizelemente 24 angeordnet, welche über eine geregelte Heizung 23 angesteuert werden. Der beheizte Rota­ tionshohlraum ist darüber hinaus insgesamt mit einer Wärme­ isolation 25 umschlossen.

Tritt nun das Meßgas über die Düse 28 im Eintrittsstutzen 7 in den Rotationshohlraum, so wird es entsprechend der ange­ deuteten Stromlinie 26 den Raum durchströmen und an dem eben­ falls tangential angeordneten Austrittsstutzen 9 (siehe Fig. 5) überhitzt und trocken und nur mit minimalen Druck­ verlusten belastet, austreten. In dem so aufbereiteten Meß­ gas kann dann kontinuierlich und fehlerfrei mit einem Streu­ licht-Staubgehaltsmeßgerät der Staubgehalt gemessen werden.

Claims (17)

1. Probenahme- und Meßsystem zur Bestimmung des Staubge­ haltes in einem Abgaskanal (2), bestehend aus einer in den Abgaskanal (2) hineinragenden Entnahmesonde (5) mit Entnahmerohr (14) zur Ableitung eines Teilgasstromes (10) aus dem Abgasstrom (1), einem der Entnahmesonde (5) nachgeschalteten Meßkopf (11), der den Staubgehalt im entnommenen Teilgasstrom (10) bestimmt, sowie eine Rück­ führanordnung hinter dem Meßkopf (11), die den entnomme­ nen Teilgasstrom (10) durch ein Rückführrohr (18) in den Abgaskanal (2) zurückleitet, wobei im Teilgasstromweg zwischen der Entnahmesonde (5) und dem Meßkopf (11) ein beheizter, zylindrischer Rotationshohlraum (8) zum Ver­ dampfen flüssiger Partikel angeordnet ist, der zur Ein­ leitung und Ausleitung des Teilgasstromes (10) eine im wesentlichen tangentiale Zuführung (7) sowie eine im we­ sentlichen tangentiale Abführung (9) aufweist.

2. Probenahme und Meßsystem nach Anspruch 1, wobei im Bereich der Zuführung (7) zum Rotationshohlraum (8) eine Verengungsstelle oder Düse (28) angeordnet ist.

3. Probenahme- und Meßsystem nach Anspruch 2, wobei die Düse (28) aus einem bis 260°C temperaturbe­ ständigen Kunststoffmaterial oder einem Keramikmaterial besteht.

4. Probenahme- und Meßsystem nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Kunststoffmaterial um PTFE han­ delt.

5. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuführung (7) und die Abführung (9) an den axial gegenüberliegenden Enden des Rotationsholraumes (8) ausgebildet sind.

6. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei um die zylindrische Kammerwand (20) des Rotations­ hohlraumes (8) mehrere Standardheizelemente (24) angeord­ net sind.

7. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zuführungsseitige Stirnflächenwandung des Rota­ tionshohlraumes (8) im wesentlichen vollflächig mit einem Heizelement (22) belegt ist.

8. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die austrittsseitige Stirnflächenwandung des Rota­ tionshohlraumes (8) zu Reinigungs- und Instandhaltungs­ zwecken als lösbare Abdeckung (21) ausgebildet ist.

9. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Entnahmesonde (5) und der Rotationshohlraum (8) mit einem flexiblen Verbindungsschlauch aus einem bis 180°C temperaturbeständigen, antiadhäsiven und che­ misch beständigen Kunststoff, insbesondere PTFE, verbun­ den sind.

10. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei es sich bei dem Meßkopf (11) um einen optischen Meßkopf handelt, der den Staubgehalt durch Nachweis des an Staubpartikeln reflektierten Streulichts bestimmt.

11. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Rückführrohr (18) integral in der Entnahmeson­ de (5) ausgebildet ist.

12. Probenahme- und Meßsystem nach Anspruch 11, wobei das Rückführrohr (18) und das Entnahmerohr (14) der Entnahmesonde (5) in gegenseitigem Wärmekontakt in der Entnahmesonde (5) geführt sind.

13. Probenahme- und Meßsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Entnahmerohr (14) und das Rückführrohr (18) als doppelwandiges Mantelrohr (14, 18) ausgebildet sind.

14. Probenahme- und Meßsystem nach Anspruch 13, wobei das Entnahmerohr (14) koaxial innerhalb des Rück­ führrohres (18) ausgebildet ist.

15. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine abgaskanalseitige Auslaßöffnung (13) des Rück­ führrohres (18) von einer benachbarten Ansaugöffnung (6) des Entnahmerohres (14) weggerichtet ist.

16. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Entnahmerohr (14) und/oder das Rückführrohr (18) aus einem antiadhäsiven Kunststoff, insbesondere PVDF, bestehen, der bis 120°C temperaturbeständig ist.

17. Probenahme- und Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei an den abgaskanalfernen Enden des Entnahmerohres (14) und des Rückführrohres (18) jeweils separate Absperrventile (15, 16) angeordnet sind.