DE4436205C1 - Apparatur zur differenzierten Kohlenstoffanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Analyse von kohlenstoffhaltigen Schwebstäuben, insbesondere auf dem Gebiet der Lufthygiene.

Kohlenstoffhaltige Materialien in der Atmosphäre bestehen aus einer Kombination unterschiedlicher Verbindungen, die in der Gasphase oder als Aerosol vorliegen. Die thermische Analyse von auf Filtern gesammeltem Kohlenstoff erfolgt in den Gruppen organischer Kohlenstoff, elementarer Kohlenstoff und Carbonate. Von diesen drei im Staub enthaltenen Fraktionen besitzen nur die Fraktionen organischer Kohlenstoff und elementarer Kohlenstoff besondere lufthygienische Bedeutung. Die organischen Kohlenstoffe lassen sich für die thermische Analyse in Kohlenwasserstoffe mit geringem Dampfdruck sowie solche mit hohem Dampfdruck unterscheiden. Das Analyseergebnis zeigt den verdampfbaren und pyrolysierbaren Kohlenstoff. Die Menge des in einem Sauerstoffstrom verbrennbaren Kohlenstoffes charakterisiert den elementaren Kohlenstoff bzw. Ruß.

Bei der thermischen Analyse wird die Stabilität von elementarem Kohlenstoff gegenüber organischen Kohlenwasserstoffverbindungen genutzt, um die Kohlenstoff­ gruppen voneinander abzutrennen. Während die organischen Substanzen in Stäuben bereits in einem sauerstofffreien Inertgasstrom verdampfen bzw. pyrolysieren, kann der feste elementare Kohlenstoff erst durch die Verbrennung mit Sauerstoff zu CO₂ im Sauerstoffstrom in die Gasphase überführt werden.

Es ist eine Analysenapparatur bekannt (G. W. Israël, A. Erdmann, W. Frenzel, J. Shen, E. Ulrich "Analyse der Herkunft und Zusammensetzung der Schwebstaubim­ missionen", Fortschr.-Ber. VDI Reihe 15 Nr. 92, VDI Verlag, Düsseldorf 1992, die aus der geregelten Gaszufuhr, der Probenaufgabe, dem Pyrolyse- und Katalysator­ rohr mit zwei dazugehörigen Öfen (einem Infrarot- und einem Widerstandsofen) und dem NDIR-CO₂-Detektor mit angeschlossenem Integrator besteht. Ein Analyserohr aus Quarzglas bildet den Kern der Anlage. Dieses Rohr ist in zwei Zonen unterteilt, die über eine Verjüngung miteinander verbunden sind. Im ersten Teil befindet sich der Bereich in dem die Probe durch die Probenschleuse mit einem rohrförmigen V4A-Schiffchen so eingeführt wird, daß der belegte Filter genau unter der Spitze eines NiCr-Ni-Thermoelements zu liegen kommt. Mit dieser Anordnung des Thermoelements wird sichergestellt, daß die Temperatur am Filter und die Regel­ temperatur eine Differenz von 20°C nicht übersteigt. Der Pyrolyse- und Verbren­ nungsvorgang wird von einem achtstufigen Temperaturprogrammer geregelt. Die dabei entstehenden gasförmigen Verbindungen werden einem Oxidationskatalysator aus Kupferoxid - Ceroxid über die Verjüngung zugeführt. Der zweite Teil des Quarzrohres ist in einem Rohrofen eingebettet. Der Festbettkatalysator wird auf einer konstanten Temperatur von 900°C gehalten. Der in CO₂ überführte Kohlenstoff wird anschließend einem NDIR-CO₂-Detektor zugeführt. Das Signal des NDIR- Detektors wird auf einem Analog-Digital-Wandler aufgezeichnet. Um die Analyse­ zeit möglichst gering zu halten ist eine Luftkühlung in den wassergekühlten Infrarot­ ofen installiert, die den konvektiven Wärmetransport zwischen den Kühlflächen und dem Quarzrohr erhöht und die Abkühlungsphasen reduziert. Zudem ist die elektrische Leistung der Halogenlampe im Infrarotofen so ausgelegt, daß ein Temperatur­ gradient von 600°C/Min. bis auf Temperaturniveau von 1000°C realisiert werden kann.

Diese Analysenapparatur hat Nachteile, die insbesondere darin bestehen, daß aufgrund von Kondensations- und Adsorptionsvorgängen im Pyrolysebereich Streuungen der Analyseergebnisse von bis zu 30% zu verzeichnen sind. Eine einmal stattgefundene Kondensation bildet die Grundlage für eine Verfestigung und ein Anwachsen des Kondensats, da es bei weiteren Analysen als Kondensationskeim wirkt und sich ständig neues Kondensat anlagert. Die Kondensations- und Adsorp­ tionsvorgängen im Pyrolysebereich haben ihre Ursache darin, daß über die Länge des Analyserohres Bereiche mit niedriger Temperatur als die eigentliche Analysetempe­ ratur auftreten. Darüber hinaus können Verwehungen von Feststoffen aus dem Pyrolysebereich in den Katalysatorbereich erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kondensations- und Adsorptions­ vorgänge im Pyrolysebereich zu vermeiden, indem sichergestellt wird, daß die Temperatur über die Länge des Analyserohres mindestens der Analysetemperatur entspricht, um so die Streuungen der Analyseergebnisse deutlich zu senken. Weiterhin sollen die Verwehungen aus dem Pyrolysebereich in den Katalysator­ bereich verhindert werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen technischen Mittel.

Es wurde gefunden, daß die Ursache des nichtstetigen Temperaturverlaufs über die Länge des Analyserohres in einer Heizlücke zwischen dem Pyrolyse- und dem Katalysatorofen liegen. Diese bildet die Ursache für die Kondensations- und Adsorptionsvorgänge im Pyrolysebereich. Die Heizlücke wird durch ein Zusammen­ rücken der beiden Öfen und durch die Anordnung eines Strahlungsabsorbers in Form eines kegelstumpförmigen Drahtkäfigs in der Verjüngung des Analyserohres geschlossen.

Dem Zusammenrücken der beiden Öfen steht, wenn Halogenlampen verwendet werden, deren Anschlüssen auf beiden Seiten angeordnet sind, einer der beiden elektrischen Anschlüsse im Wege, der über die seitliche Begrenzung des Ofens hinaus ragt. Deshalb ist in den Katalysatorofen eine Aussparung eingebracht, die so dimensioniert ist, daß der elektrische Anschluß der Halogenlampe aufgenommen werden kann. An der Stirnseite des Katalysatorofens bzw. durch die Aussparung ist eine erhöhte Wärmeabfuhr zu verzeichnen, die durch zusätzliche Wicklungen im Bereich der Aussparung des Katalysatorofens ausgeglichen werden kann.

Der kegelstumpfförmige Drahtkäfig ist so angeordnet, daß die Spitze des Kegel­ stumpfes in Richtung des Pyrolyseofens weist. Er besteht aus schwarzem Draht, der die Strahlung (Bereich: infrarot bis ultraviolett) absorbiert, die von der Halogen­ lampe des Pyrolyseofens abgegeben wird.

Um Verwehungen aus dem Pyrolysebereich in den Katalysatorbereich zu verhindern, ist zwischen der Pyrolyse- und der Katalysatorseite eine Filterplatte aus temperatur­ beständigem Material angeordnet, die gemeinsam mit dem Strahlungsabsorber eine strömungstechnische Trennung der beiden Bereiche bewirkt. Das lückenlose Zusammenrücken der beiden Öfen und die Anordnung des kegelstumpfförmigen Drahtkäfigs in der Verjüngung des Analyserohres bewirken, daß die Temperatur über die Länge des Rohres gleich hoch ist und keine Bereiche niederer Temperatur auftreten, an denen Adsorptions- und Kondensationsvorgänge stattfinden können.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der Analysenapparatur.

Die Apparatur zur Kohlenstoffanalyse besteht aus einem Analyserohr 1, das von zwei nebeneinander angeordneten Öfen, dem Pyrolyseofen 2 und dem Katalysator­ ofen 3 umgeben ist. Der Pyrolyseofen 2 wird durch eine Infrarot-Heizquelle 4 in Form einer Halogenlampe, die von einem elliptisch geformten innenverspiegelten Rohr 5 umgeben ist und in dessen einem Fokus sich die Halogenlampe 4 und in dessen anderen Fokus sich das Analyserohr 1 befindet, gebildet. Der Katalysatorofen 3 wird durch eine Widerstandsheizquelle in Form eines Rohrofens gebildet. Das Analyserohr 1 hat im Bereich des Pyrolyseofens 2, unmittelbar neben der Verbin­ dungsstelle der beiden Öfen, eine Verjüngung 6. In dieser Verjüngung ist ein Strahlungsabsorber 7 in Form eines kegelstumpfförmigen schwarzen Drahtkäfigs angeordnet, dessen Spitze in Richtung des Pyrolyseofens 2 weist. Auf der Pyrolyse­ seite der Verjüngung 6 ist eine Filterplatte 17 aus temperaturbeständigem Material angeordnet. Durch die Anordnung der Filterplatte 17 und des Strahlungsabsorbers 7 im Bereich der Verjüngung 6 erfolgt zwischen dem Katalysator- und dem Pyrolyse­ bereich eine strömungstechnische Trennung. Der Katalysatorofen 3 hat an der Stelle, an der er mit der den Pyrolyseofen 2 heizenden Halogen-Lampe 4 zusammentrifft, eine Aussparung 8, die eine der beiden elektrischen Anschlußleitungen 9 der Halogenlampe 4 aufnimmt. Wenn Halogenlampen verwendet werden, deren Anschlüsse an einer Seite liegen, kann die Aussparung 8 entfallen. Im Bereich der Aussparung 8 kann die Zahl der Wicklungen 10 der Widerstandsheizung erhöht sein, um die durch die Aussparung 8 verursachte Verringerung der Heizleistung auszu­ gleichen. Unabhängig von der Aussparung 8 kann in dem Bereich, in dem der Katalysatorofen 3 am Pyrolyseofen 2 anliegt, die Heizleistung über die Zahl der Wicklungen 10 erhöht werden. Im Analyserohr 1, im Bereich des Katalysatorofens 3, ist der Katalysator 11 angeordnet. Das Analyserohr 1 endet auf der Seite des Pyrolyseofens 2 in der Probenschleuse 12. Auf der Seite des Katalysatorofens 3 ist das Analyserohr 1 mit dem NDIR-CO₂-Detektor 13 mit angeschlossenem Integrator 14 verbunden. Innerhalb des Analyserohres 1 ist ein NiCr-Ni-Thermoelement 15 angeordnet, unter dessen Spitze das Probenschiffchen 16 zu liegen kommt.

Claims (6)

1. Apparatur zur Kohlenstoffanalyse, bestehend aus einer Probenaufgabe, einem Analyserohr aus Quarzglas, in dem ein Thermoelement angeordnet ist und das in zwei Zonen, nämlich eine Pyrolyse- und eine Katalysatorzone, unterteilt ist, die über eine Verjüngung miteinander verbunden sind, zwei dazugehörigen Öfen, nämlich einem Pyrolyseofen und einem Katalysatorofen und einem NDIR-CO₂-Detektor mit angeschlossenem Integrator, wobei die Probe in das Analyserohr durch eine Probenschleuse mit einem Probenschiffchen eingeführt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - in der Verjüngung (6) ein Strahlungsabsorber (7) für Strahlung im infrarotem bis ultraviolettem Bereich angeordnet ist,
• - der Katalysatorofen (3) und der Pyrolyseofen (2) ohne Heizlücke aneinander liegen.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorofen (3) an der Stelle, an der er mit der den Pyrolyseofen (2) heizenden Halogenlampe (4) zusammentrifft, eine Aussparung (8) aufweist, die die elektrische Anschlußleitung (9) und einen Teil der Halogenlampe (4) aufnimmt.

3. Apparatur nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem der Katalysatorofen (3) am Pyrolyseofen (2) anliegt, die Heizlei­ stung über die Zahl der Wicklungen (10) erhöht ist.

4. Apparatur nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsabsorber (7) die Form eines kegelstumpfförmigen schwarzen Drahtkäfigs hat, dessen Spitze in Richtung des Pyrolyseofens (2) weist.

5. Apparatur nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verjüngung (6) auf der Pyrolyseseite eine Filterplatte (17) aus temperaturbeständi­ gem Material angeordnet ist.

6. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Aussparung (8) die Zahl der Wicklungen (10) der Widerstandsheizung erhöht ist.